Dokument: Oszillatorische Kopplung zwischen Basalganglien, Kortex und Muskel in der Parkinson-Krankheit

Titel:Oszillatorische Kopplung zwischen Basalganglien, Kortex und Muskel in der Parkinson-Krankheit
Weiterer Titel:Oscillatory Coupling between Basal Ganglia, Cortex and Muscle in Parkinson's Disease
URL für Lesezeichen:https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=28433
URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20140219-170721-0
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Hirschmann, Jan [Autor]
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Dateien vom 18.02.2014 / geändert 18.02.2014
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:Morbus Parkinson ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, deren Symptome unter anderem mit der tiefen Hirnstimulation behandelt werden. Die dafür notwendigen chirurgischen Eingriffe ermöglichen es, Hirnaktivität der Basalganglien in Form lokaler Feldpotentiale (LFPs) aufzuzeichnen. Zahlreiche Studien, die sich mit der Analyse von LFPs beschäftigt haben, lieferten Hinweise darauf, dass neuronale, oszillatorische Aktivität bei Parkinson-Patienten pathologisch verändert ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass neuronale Oszillationen nicht nur lokal sondern auch interregional synchronisiert sind. So sind beispielsweise Beta Oszillationen (13-35 Hz) im Nucleus subthalamicus (STN) und Cortex kohärent.
Diese Doktorarbeit befasste sich mit lokaler und interregionaler neuronaler Synchronisation bei Parkinson-Patienten. Im Mittelpunkt stand die Charakterisierung der oszillatorischen Kopplung zwischen STN, Cortex und Muskel.
Basierend auf einem einheitlichen Paradigma wurden drei Studien durchgeführt. In allen Studien wurden LFP Messungen im STN, Magnetenzephalographie (MEG) und Elektromyographie simultan durchgeführt. Akinetisch-rigide (Studien 1 und 2) und tremor-dominante Parkinson-Patienten (Studie 3) wurden in Ruhe, während der Ausführung einer Halteaufgabe (Elevation des Unterarms) und während der Ausführung einer Bewegungsaufgabe (repetitives Öffnen und Schließen der Faust) untersucht. Die Messungen wurden zunächst nach Entzug dopaminerger Medikation durchgeführt und nach Verabreichung von Levodopa wiederholt. Die Quantifizierung von lokaler Synchronisation erfolgte durch Berechnung von Power. Die Quantifizierung von interregionaler oszillatorischer Kopplung erfolgte durch Berechnung von Kohärenz.
Studie 1 beschäftigte sich mit der räumlichen Verteilung von STN-cortikaler Kohärenz im Ruhezustand. Diese erwies sich als frequenzabhängig. Im Alpha-Band (8-12 Hz) war der STN vornehmlich an temporale Areale gekoppelt, insbesondere an den Gyrus temporalis superior (STG). Im Beta-Band hingegen zeigten der primäre motorische (M1), der primäre somatosensorische und der prämotorische Cortex die stärkste Kohärenz. Räumliche Kohärenzmaxima waren nahezu ausschließlich ipsilateral zum STN lokalisiert. Eine nähere Betrachtung der einzelnen Elektrodenkontakte im STN ergab, dass die Alpha-Kopplung zum STG an allen Kontakten zu beobachten war, während die Beta-Kopplung zu M1 auf einen oder zwei Kontakte beschränkt war. Diese Ergebnisse zeigen, dass nur ein eingegrenzter Bereich innerhalb oder im Umfeld des STN synchron mit M1 oszilliert. Die Organisation der anatomischen Verbindungen zwischen M1 und STN lässt vermuten, dass es sich hierbei um den dorsolateralen Teil des STN handelt. Neben der Charakterisierung der frequenzabhängigen Verteilung von STN-cortikaler Kohärenz demonstrierte Studie 1 die Möglichkeit, oszillatorische Kopplungen mittels simultaner LFP-MEG Messungen zu untersuchen.
Studie 2 befasste sich mit der Modulation von STN-cortikaler und cortiko-muskulärer Kohärenz durch Bewegung und Medikation. Es wurde gezeigt, dass Alpha- und Beta-Kohärenz zwischen M1 und dem Extensor-Muskel des Unterarms durch Bewegung im Vergleich zur Halteaufgabe reduziert wird. Levodopa zeigte keine Wirkung auf die cortiko-muskuläre Kohärenz. Allerdings führte die Medikation zu einer Reduktion der Beta-Kohärenz zwischen M1 und STN. Diese korrelierte wider Erwarten nicht mit der klinischen Verbesserung der Beweglichkeit. Stattdessen wurde eine negative Korrelation zwischen Beta-Kohärenz und Unterbeweglichkeit festgestellt, d.h. Patienten mit einer stärkeren Kohärenz waren besser beweglich als Patienten mit einer schwächeren Kohärenz. Studie 2 zeigt, dass STN-cortikale und cortiko-muskuläre Kohärenz unabhängig voneinander moduliert werden können. Die negative Korrelation zwischen Beta-Kohärenz und Unterbeweglichkeit lässt Zweifel an der weit verbreiteten Annahme aufkommen, dass starke Beta-Kohärenz zwischen STN und M1 einen pathologischen Mechanismus der Parkinson-Erkrankung darstellt.
Ziel von Studie 3 war es, mögliche Veränderungen der STN-cortikalen und cortico-muskulären Kohärenz zu ermitteln, die mit dem Einsetzen des Parkinson-typischen Ruhetremors einhergehen. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuronale Synchronisation in der Tremor-Frequenz und der doppelten Tremor-Frequenz ansteigt sobald der Tremor auftritt. Ein Anstieg konnte für Power im STN sowie für die oszillatorische Kopplung zwischen STN, Cortex und Muskel nachgewiesen werden. Eine Analyse auf Quell-Ebene offenbarte, dass M1, der prämotorische Cortex sowie der posteriore Parietallappen während des Tremors eine erhöhte Kohärenz mit den Unterarmmuskeln aufweisen und zudem untereinander synchronisiert sind. Studie 3 belegt, dass oszillatorische Kopplung in der Tremor-Frequenz ein neuronales Korrelat des Ruhetremors ist.
Die im Rahmen der Dissertation durchgeführten Studien zeigen, dass oszillatorische Kopplung zwischen STN, Cortex und Muskel durch Bewegung, dopaminerge Medikation und Tremor moduliert wird und mit Beweglichkeit korreliert. Diese Ergebnisse verdeutlichen die wichtige Rolle von synchronen Oszillationen in der Pathophysiologie von Morbus Parkinson und ermöglichen eine Zuordnung von Synchronisationsprozessen und Symptomen, die möglicherweise für eine gezielte, therapeutische Manipulation von pathologischen Oszillationen relevant werden könnte.

Parkinson’s disease (PD) is a progressive, neurodegenerative disease of the central nervous system which is treated, amongst other therapeutic interventions, by deep brain stimulation (DBS). The surgical procedure for DBS provides the unique opportunity to record local field potentials (LFPs) from the human basal ganglia. Numerous studies investigating LFPs found indications for pathological alterations of synchronous oscillations in PD. These studies also showed that synchronization occurs locally as well as between distant brain regions. For example, it was demonstrated that LFPs recorded from the subthalamic nucleus (STN) are coherent with cortical oscillations in the beta band (13- 35 Hz).
This thesis investigated local and interregional synchrony in PD. Its major aim was to characterize oscillatory coupling between STN, cortex and muscle.
Three studies were performed which were all based on the same experimental paradigm. In all studies, STN LFPs, the magnetoencephalogram (MEG) and the electromyogram of forearm muscles were recorded simultaneously. Akinetic-rigid (studies 1 and 2) and tremor-dominant patients (study 3) were recorded at rest, during a static motor task (forearm elevation) and during repetitive movement (opening and closing of the fist). Measurements took place after withdrawal of dopaminergic medication and were repeated following administration of levodopa. Local synchrony was quantified by power and interregional oscillatory coupling was quantified by coherence.
Study 1 investigated the spatial distribution of STN-cortical coherence at rest. Interestingly, the distribution was found to be frequency-dependent. STN alpha (8-12 Hz) oscillations were predominantly coherent with oscillations in temporal areas. In particular, there was strong alpha coherence with superior temporal gyrus (STG). In the beta band, however, coherence was strongest with primary motor cortex (M1), primary somatosensory cortex and premotor cortex. The vast majority of spatial coherence maxima were located ipsilateral to the STN. Inspection of the distribution of coherence across STN electrode contacts revealed that alpha band coupling to STG was distributed homogenously across contacts. In contrast, beta band coupling to M1 was usually restricted to one or two contacts. The results suggest that beta synchrony with M1 is confined to a circumscribed area within or near the STN. Given the organization of anatomical connections between M1 and STN, it is reasonable to assume that beta band coupling is restricted to the dorsolateral portion of the STN. Apart from characterizing the frequency-dependent distribution of STN-cortical coherence, study 1 demonstrated that simultaneous LFP-MEG recordings are a powerful tool for studying oscillatory coupling in PD.
Study 2 assessed modulations of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and dopaminergic medication. It showed that coherence between M1 and the forearm extensor muscle is reduced by repetitive movement compared to static contraction in the alpha and beta band. Levodopa did not affect cortico-muscular coherence but led to a reduction of beta coherence between M1 and STN. Surprisingly, this reduction did not correlate with the improvement of motor symptoms. However, there was a negative correlation between beta coherence and akinesia in the OFF state, i.e. patients with strong coherence showed better motor performance than patients with weak coherence. Study 2 demonstrates that STN-cortical and cortico-muscular coherence can be modulated independently. The negative correlation between beta coherence and akinesia challenges the widespread belief that strong STN-cortical beta coherence reflects a pathological mechanism.
Study 3 aimed at characterizing the changes in STN-cortical and cortico-muscular coherence associated with the manifestation of parkinsonian rest tremor. It was found that neuronal synchrony at tremor frequency and double tremor frequency increases when tremor emerges. Increases were observed for STN power and oscillatory coupling between STN, cortex and muscle. Source level analysis revealed that M1, premotor cortex and posterior parietal cortex show increased coherence with forearm muscles during tremor and are synchronized with each other at tremor frequency and its first upper harmonic. Study 3 demonstrates that oscillatory coupling at tremor frequency is a genuine neural correlate of rest tremor in PD.
The presented studies reveal modulations of oscillatory coupling by movement, dopaminergic medication and tremor. Further, they demonstrate that coupling is correlated with motor performance. In summary, the results emphasize the pivotal role of synchronous oscillations in PD pathophysiology and provide insights into the association between neuronal synchronization and PD symptoms. These insights might become relevant for therapeutic manipulation of pathological oscillatory processes.
Fachbereich / Einrichtung:Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Medizinische Psychologie
Dokument erstellt am:19.02.2014
Dateien geändert am:19.02.2014
Promotionsantrag am:29.04.0013
Datum der Promotion:10.12.2013
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