Dokument: Effekte von sensorischer Stimulation auf Hirnrhythmen: Modellbasierte Simulationen und magnetoenzephalographische (MEG) Studien
| Titel: | Effekte von sensorischer Stimulation auf Hirnrhythmen: Modellbasierte Simulationen und magnetoenzephalographische (MEG) Studien | |||||||
| Weiterer Titel: | Effects of sensory stimulation on brain rhythms: model based simulations and magnetoencephalographic (MEG) studies | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=5288 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20070727-110901-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Majtanik, Milan [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Dr. Tass, Peter Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Buchner, Axel [Gutachter] Prof. Dr. Niedeggen, Michael [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | MEG Tiefenhirnstimulation phase resetting DBS Modulation Hirn Rhythmen | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie | |||||||
| Beschreibungen: | In dieser Arbeit wird die Modulation von Hirnrhythmen, eine Anregung und eine Dämpfung, theoretisch
mit den Methoden der mathematischen Modellierung und der Computersimulationen, sowie experimentell mit der Methode der Magnetoenzephalographie (MEG) untersucht. Eine besondere Form der Hirnrhythmendämpfung,bei der diemakroskopischenOszillationen verschwinden aber das Feuern der einzelnen Neurone nicht unterdrückt wird, ist eine Desynchronisation. Eine Desynchronisation ist also eine selektive Zerstörung der Synchronizität einer neuronalen Population. Mit dem Phase-Resetting Ansatz hat Tass die Desynchronisation in Populationen von Phasenoszillatoren untersucht und als milde Methode zur Behandlung von schwere Krankheitsymptomen bei der Parkinsonschen Krankheit und beim Essentiellen Tremor vorgeschlagen (Tass, 1999). Dieser Ansatz wird hier auf die Hirnrhythmen angewandt. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell eines rhythmisch aktiven Neurons mit dendritischerDynamik entwickelt. Ein Netzwerk von solchen gekoppeltenNeuronen dient alsModell eines Hirnrhythmus. Neben Bistabilität vom oszillatorischen und ruhenden Zustand in einem solchen Netzwerk wurde eine signifikant verlängerte stimulusinduzierte transiente Dynamik des Netzwerks beobachtet.Daher tritt die maximale Desynchronisation nicht während, sondern erst später, nach dem Ausschalten der Stimulation auf. Um diese Effekte bei der Desynchronisation eines Hirnrhythmus zu berücksichtigen,wurde eine neue Kalibrierungstechnik mittels verzögerten Phase-Resetting-Kurven entwickelt. Mit Hilfe dieser Kalibrierungstechnik können verschiedene Desynchronisationstechniken an Hirnrhythmen angewandt werden. In drei magnetoenzephalographischen Untersuchungen wurde die Modulierbarkeit der Hirnrhythmen mit visueller Stimulation untersucht. Im ersten Experiment (Anzahl der Probanden N=10) wurden mit einer neuen Methode, den zytoarchitektonischen Frequenz-Tuning-Kurven, das Entrainment (eine Phasenkopplung zwischen den Hirnrhythmen und der Stimulation) und die Anregung der Hirnrhythmen mit einer periodischen Luminanzstimulation in präzise definierten Hirnarealen charakterisiert. Die Luminanzstimulation induzierte in visuellen Arealen ein starkes und in sensomotorischen Arealen eine schwaches Entrainment, das in den visuellen Arealen von einer Anregung der oszillatorischen Aktivität begleitet wurde. Die Anregung und das Entrainment waren maximal für die 8 Hz-Stimulation. In der Untersuchung II (N=4) wurde der Alpha-Rhythmus mit linearem und nichtlinearem verzögertem Feedback unterdrückt. Für alle Probanden konnten dämpfunginduzierende Stimulationsparameter bestimmt werden. Es wurde an einem Probanden gezeigt, dass die Feedback-Suppression des Alpha-Rhythmus sich von einem einfachen Alpha-Blocking unterscheidet. In der Untersuchung III (N=1) wurde die Soft-Phase-Resetting-Desynchronisationstechnik auf den Alpha-Rhythmus angewandt. Mit der im ersten Teil der Arbeit entwickelten Kalibrierungstechnik wurde die vulnerable Phase des Alpha-Rhythmus bestimmt. Eine Stimulation während dieser Phase führte zur höchsten Dämpfung der oszillatorischen Aktivität und induzierte eine transiente Reduktion der Phasenkohärenz des Alpha-Rhythmus. Die Ergebnisse der Untersuchungen II und III belegen eine prinzipielle Übertragbarkeit der theoretischen Ergebnisse zur Desynchronisation auf die Hirnrhythmen. Im dritten Teil der Arbeit werden die Effekte der Modulation von Hirnrhythmen auf die synaptischen Konnektivität des Hirnsubstrats theoretisch untersucht. Zu diesem Zweck wird eine Form der Plastizität in ein generisches Netzwerk von Phasenoszillatoren eingebaut, das als Modellnetzwerk für die synaptisch interagierenden Neuronen dient. Im Netzwerk trat eine Bistabilität zwischen dem synchronen, gekoppelten und dem desynchronen, ungekoppelten Zustand auf. Mit einer spezifischen Manipulation der neuralen Aktivität, einem Entrainment oder einer Desynchronisation, war es möglich, das Netzwerk von einem stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand zu überführen.In this thesis modulation of brain rhythms (excitation and damping) is investigated theoretically by means of mathematical modeling and computer simulations, and experimentally with the magnetoencephalography (MEG). A special form of brain rhythm damping is desynchronization, which suppress the macroscopic oscillations but leaves the firing of the neurons intact. The desynchronization can be viewed as a selective destruction of the synchrony in a neural population. In the population of coupled phase oscillator Tass investigated the desynchronization with the phase resetting approach Tass (1999). He proposed the desynchronization for the therapy of Parkinson’s disease and essential tremor. In the first part of the thesis a mathematical model of periodically active neuron with dendritic dynamics has been developed. Network of such coupled neurons serves as a model of brain rhythms. In the model under stimulation a bistability of scillatory and quiet state was observed. The stimulation induced transients endured after the end of the stimulation and cause maximal desynchronization to occur with some delay after the stimulation has been turned off. To account for this delayed desynchronization effect, a new calibration procedure for finding optimal stimulation parameters has been designed. Using this new calibration procedure several desynchronization techniques can be applied to the brain rhythms. Modulation of brain rhythms by means of luminance stimulation has been investigated in three magnetoencephalographic studies. In the experiment I (number of subjects N=10) entrainment (phase coupling between brain rhythm and stimulation) and excitation of brain rhythms by periodic light stimulation has been studied with the new developed cytoarchitectonic frequency tuning curves. Luminance stimulation induces in visual areas strong and in sensormotor areas weak entrainment. The entrainment of the visual areas is associated with the excitation of the oscillatory activity. Both the entrainment and the excitation were maximal for the 8 Hz stimulation. In the study II (N=4) the alpha rhythm has been suppressed with the lineare and nonlinear delayed feedback. For all subjects desynchronizing stimulation parameters has been found. In one subject the distinction of the feedback induced suppression of the alpha rhythm from the simple alpha blocking has been demonstrated. In the study III (N=1) soft phase resetting desynchronization technique has been applied to the alpha rhythm. With the new developed calibration procedure from part one the vulnerable phase of the alpha rhythm has been detected. Stimulation in this phase induced strong damping of the oscillatory activity and transient suppression of the phase coherence of the alpha rhythm. The results of the studies II and III demonstrates that the theoretical result for desynchronization can by transfered to the real brain rhythms. In the third part rewiring effects of the rhythm modulation has been studied. For this, spike-timingdependent plasticity has been incorporated into a generic network of coupled phase oscillators, which serves as a model network of synaptically interacting neurons. Two states may coexist under spontaneous conditions: a state of uncorrelated firing and state of pathological synchrony. Appropriatemanipulations of the rhythmic states of the network (entrainment or desynchronization)make the network to learn or unlearn the synaptic interactions. The desynchronizing stimulation may have powerfull long-term antikindling effects and enables the network to unlearn pathological strong synaptic interactions. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Psychologie » Allgemeine Psychologie und Arbeitspsychologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 27.07.2007 | |||||||
| Dateien geändert am: | 27.07.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 10.05.2007 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.06.2007 |
