Dokument: Multimodal Mapping of the Hippocampus across the lifespan and in dementia

Titel:	Multimodal Mapping of the Hippocampus across the lifespan and in dementia
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55462
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210326-111055-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Plachti, Anna [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,39 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.02.2021 / geändert 10.02.2021
Beitragende:	Prof. Dr. med. Eickhoff, Simon B. [Gutachter] Prof. Dr. Bellebaum, Christian [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Der Hippocampus wird mit Verhaltensweisen wie Gedächtnis und Navigation in Verbindung gebracht, und ist eine der ersten Gehirnregionen, die bei Erkrankungen wie Alzheimer, Depression und Angststörungen betroffen ist. Personen, die sich einer hippocampalen Resektion unterziehen mussten, erleben große Schwierigkeiten im Alltag und leiden an anterograder und retrograder Amnesie. Zu verstehen, wie der Hippocampus aufgebaut ist und welche Verhaltensweisen mit ihm zusammenhängen, ist daher von größter Bedeutung. Allerdings ist bis jetzt die Kartierung des Hippocampus, nämlich die Beschreibung des Aufbaus, auf die zelluläre Ebene beschränkt. Es fehlt eine Beschreibung der Organisation des Hippocampus auf der Ebene der Netzwerkkonnektivität, die für Rückschlüsse auf Verhalten möglicherweise wichtiger ist, als die zelluläre Ebene. Mit der Nutzung bildgebender Verfahren und der Methode der „Konnektivitäts-Basierten- Parzellierung“ ist es möglich in-vivo Karten vom Hippocampus über eine Vielzahl von Personen hinweg zu erstellen. Die Methode der Konnektivitäts-Basierten Parzellierung unterteilt den Hippocampus in Subregionen, die sich in ihren Konnektivitätsprofilen besonders stark voneinander unterscheiden und deshalb ein bestimmtes Differenzierungsmuster aufweisen. Die vorliegende Arbeit zielte somit darauf ab, den Hippocampus auf der Basis von funktionaler Konnektivität und struktureller Kovarianz, zu kartieren. Funktionale Konnektivität wurde entweder meta-analytisch über Aufgaben hinweg publizierter funktionaler Studien errechnet oder unter Ruhebedingung mit dem Magnetresonanztomographen gemessen. Strukturelle Kovarianz stellt eine relativ junge Messgröße dar, die die Ko-Variationen in der Intensität der grauen Substanz über Personen hinweg misst, und damit Ko-Plastizität und Ko-Atrophie abbildet, wenn Gehirnregionen zusammen wachsen oder degenerieren. Neben der Kartierung des Hippocampus war ich ebenfalls stark daran interessiert zu untersuchen, ob sich Differenzierungsmuster innerhalb des Hippocampus im Laufe des Lebens und bei der Demenzerkrankung verändern und voneinander unterscheiden lassen. Hierbei wurden Veränderungen im Hippocampus basierend auf Veränderungen in den strukturellen Kovarianz-Netzwerken betrachtet. Die Untersuchungen wurden an hunderten von funktionalen und strukturellen bildgebenden Daten frei zugänglicher Datenbanken durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass im Gegensatz zur zytoarchitektonischen Organisation, die Organisation des Hippocampus basierend auf funktionaler Konnektivität eine Differenzierung entlang der anterior-posterior Achse aufwies mit einer Unterteilung in eine anteriore, mittlere, und posteriore Subregion. Die Organisation basierend auf struktureller Kovarianz hingegen zeigte vornehmlich eine medial-laterale Differenzierung in eine anteriore, mediale und laterale Subregion, die der Differenzierung in Cornu ammonis und Subiculum ähnelte. Altersbedingte Veränderungen waren vor allem im posterioren Bereich des Hippocampus zu finden, wo die laterale Subregion schrumpfte. In der Demenz ähnelte die hippocampale Organisation allerdings stark einer funktionalen Unterteilung entlang der anterior-posterior Achse, da die laterale Subregion sich stark in die mediale Richtung ausbreitete und fast den gesamten hippocampalen Körper bedeckte. Diese Veränderungen wurden als möglicher Hinweis darauf interpretiert, dass bei Demenz vor allem funktionale Netzwerke von der Ausbreitung von Pathogenen wie ‚neurofibrillary tangles’ und ‚amyloid beta plaques’ betroffen sind und sich dies längerfristig auf die Ko-atrophie des Hippocampus auswirkt. Um zu verstehen, in welche Verhaltensweisen der Hippocampus involviert ist, charakterisierte ich sowohl die Subregionen als auch die assoziierten Netzwerke behavioral unter Verwendung von Datenbanken, die tausende von Aktivierungsstudien archievieren. Die Ergebnisse legten nahe, dass der anteriore Hippocampus eher in Selbst-zentrierter Informationsverarbeitung und der posteriore Hippocampus eher in Welt-zentrierter Informationsverarbeitung involviert ist. Zusätzlich ist zu vermuten, dass basierend auf den Netzwerken der strukturellen Kovarianz, die mediale Subregion etwas mit der visuellmotorischen Verarbeitung zu tun hat. Die vorliegende Arbeit zeigte demnach auf, dass der Hippocampus sowohl eine anteriorposterior als auch eine medial-laterale Organisation in Abhängigkeit von der Art der Netzwerke (funktionale oder strukturelle) aufweist. Strukturelle Netzwerke sind nicht stabil über die Lebensspanne, sondern verändern sich im Alter und in der Demenzerkrankung und spiegeln somit unterschiedliche zugrundeliegende Mechanismen wieder. The hippocampus is associated with behaviors such as memory and navigation, and is one of the first brain regions to be affected in diseases such as Alzheimer's dementia, depression and anxiety disorders. Patients who have undergone hippocampal resection experience great difficulties in everyday life and suffer from anterograde and retrograde amnesia. Understanding how the hippocampus is organized and what behaviors are associated with it, is therefore of utmost importance. The mapping of the hippocampus, i.e. the description of its organization, has so far been limited to the cellular level. However, a description of the organization of the hippocampus at the level of large-scale networks is missing, which may be more important for drawing conclusions about behavior than the cellular organization. With the use of imaging techniques and the method of "Connectivity-Based Parcellation", it is possible to create in-vivo maps of the hippocampus across a large number of participants. The method of Connectivity-Based Parcellation divides the hippocampus into subregions that differ particularly strongly in their connectivity profiles and display therefore a specific differentiation pattern. The present work thus aimed at mapping the hippocampus on the basis of functional connectivity and structural covariance. Functional connectivity was either calculated meta-analytically across tasks of published functional studies or measured under resting state conditions with the magnetic resonance tomography. Structural covariance is a relatively new measure that estimates the co-variation in grey matter intensities across individuals and thus maps co-plasticity and co-atrophy as brain regions grow or degenerate together. In addition to mapping the hippocampus, I was also strongly interested in investigating whether differentiation patterns within the hippocampus change over the course of life and in dementia and whether they can be distinguished from each other. Therefore changes in hippocampal organization based on alterations in structural covariance networks were studied. The investigations were carried out on hundreds of functional and structural imaging data from open accessible databases. In contrast to the cytoarchitectonic organization, the organization of the hippocampus based on functional connectivity showed a differentiation along the anterior-posterior axis with a subdivision into an anterior, middle and posterior subregion. In contrast, the organization based on structural covariance showed a mediallateral differentiation into an anterior, medial and lateral subregion similar to the differentiation into cornu ammonis and subiculum. Age-related changes were mainly found in the posterior region of the hippocampus, where the lateral subregion decreased. However, the hippocampal differentiation pattern in dementia closely resembled a functional division along the anterior-posterior axis, as the lateral subregion extended strongly in the medial direction and covered almost the entire hippocampal body. These changes were interpreted as a possible indication that in dementia functional networks are particularly affected by the spread of pathogens such as neurofibrillary tangles and amyloid beta plaques and have therefore a long-term effect on the co-atrophy of the hippocampus. To understand in which behaviors the hippocampus is involved, I characterized both the subregions and the associated networks behaviorally using databases that archive thousands of activation studies. The results suggested that the anterior hippocampus is more involved in self-centric information processing and the posterior hippocampus more involved in worldcenteric information processing. In addition, it can be assumed that based on the networks of structural covariance, the medial subregion has something to do with visual-motor processing. The present work therefore showed that the hippocampus has both an anterior-posterior and a medial-lateral organization, depending on the type of networks, whether functional or structural. Structural networks are not stable over the lifespan but change with age and dementia mirroring different underlying processes.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	26.03.2021
Dateien geändert am:	26.03.2021
Promotionsantrag am:	06.08.2020
Datum der Promotion:	20.11.2020