Dokument: Investigating the Role of Neuronal Oscillations in Tactile Temporal Perception using Magnetoencephalography and Transcranial Alternating Current Stimulation

Titel:	Investigating the Role of Neuronal Oscillations in Tactile Temporal Perception using Magnetoencephalography and Transcranial Alternating Current Stimulation
Weiterer Titel:	Untersuchungen zur Rolle von Neuronalen Oszillationen in Taktiler Temporaler Wahrnehmung mithilfe von Magnetenzephalographie und transkranieller Wechselstrom-Stimulation
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56727
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210708-093700-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Wittenberg, Marc André [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,12 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.06.2021 / geändert 30.06.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Schnitzler, Alfons [Gutachter] Prof. Dr. Bellebaum, Christian [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Neuronale Oszillationen sind ein universelles Phänomen im Gehirn. Neuronale Oszillationen kommen in verschiedenen Frequenzbändern vor, welchen bestimmte Funktionen zugeordnet werden konnten. Alpha-Oszillationen (8 – 12 Hz) sind an der Regulation der Hemmung und Exzitabilität eines Gehirnareals beteiligt. Es wurde gezeigt, dass das Leistungsspektrum von alpha-Oszillationen vor der Stimulation im primären somatosensorischen Kortex negativ mit der zeitlichen taktilen Diskriminierung korreliert. Gamma-Oszillationen (40 – 150 Hz) hingegen wurden mit der Verarbeitung von Stimuli assoziiert. Diese Arbeit baut auf diesen Ergebnisses auf: (1) Es wird die Rolle von poststimulären Gamma-Oszillationen in Zusammenhang mit prästimulären Alpha-Oszillationen und der taktilen temporären Diskriminierung mithilfe der Magnetoenzephalographie (MEG) untersucht. (2) Es wird die kausale Rolle von Alpha-Oszillationen auf die taktile temporäre Diskriminierung mithilfe der transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS) untersucht. Im Paradigma zur zeitlichen taktilen Diskriminierung in dieser Arbeit bekommen Probanden zwei aufeinanderfolgende elektrische Reize an den linken Zeigefinger mit unterschiedlichen Zeitabständen. Im Anschluss an die Stimulation am Finger gaben die Probanden an, ob sie ein oder zwei Stimuli wahrgenommen haben. Bei bestimmten Zeitabständen der Stimuli variiert die Wahrnehmung zwischen einem und zwei Stimuli trotz gleich bleibender physikalischer Stimulation. Trotz physikalisch gleich bleibender Stimulation variiert die Wahrnehmung der Probanden zwischen einem Stimulus und beiden Stimuli. Folglich bietet dieses Paradigma die Möglichkeit, den Einfluss neuronaler Oszillationen auf die zeitlichen taktilen Diskriminierung zu untersuchen. In der ersten Studie führten Probanden das Paradigma durch während ihre Gehirnaktivität mit MEG gemessen wurde. Hypothese war, dass das poststimuläre Gamma-Leistungsspektrum positiv mit der taktilen temporären Diskriminierung korreliert und negativ mit dem prästimulären Alpha-Leistungsspektrum. Die MEG-Daten zeigten hingegen, dass das Leistungsspektrum der gamma-Oszillationen nicht mit der zeitlichen taktilen Diskriminierung korreliert. Außerdem hat sich ein U-förmiger Zusammenhang zwischen den Leistungsspektren der alpha- und gamma-Oszillationen gezeigt. Das heißt, dass sowohl ein relativ hohes als auch ein niedriges Leistungsspektrum der alpha-Oszillationen ein relativ hohes Leistungsspektrum der gamma-Oszillationen aufwiesen. Nur bei einem intermediären Leistungsspektrum der alpha-Oszillationen war das Leistungsspektrum der gamma-Oszillationen niedrig. Das Gamma-Leistungsspektrum war somit hoch, wenn das Alpha-Leistungsspektrum mit der Wahrnehmung von entweder hauptsächlich einem Stimulus oder hauptsächlich zwei Stimuli assoziiert war. Folglich könnte ein hohes Gamma-Leistungsspektrum eher an einer eindeutigen Stimulusverarbeitung beteiligt sein anstatt an veridikaler Verarbeitung. Bei intermediärem Alpha-Leistungsspektrum variierte die Wahrnehmung am meisten zwischen einem Stimulus und zwei Stimuli. Das Gamma-Leistungsspektrum war bei intermediärem Alpha-Leistungsspektrum am niedrigsten und könnte somit eine uneindeutige Stimulusverarbeitung repräsentieren. In der zweiten Studie wurde führten Probanden das oben beschriebene Paradigma durch während und nachdem tACS mit 10 Hz, 5 Hz und sham am primären somatosensorischen Cortex appliziert wurde. Hypothese war, dass tACS mit 10 Hz die Fähigkeit, die zwei Stimuli zu diskriminieren verschlechtert im Vergleich zu tACS-Bedingungen. Es wurde allerdings kein Einfluss von tACS mit 10 Hz auf die Fähigkeit zur taktilen temporären Diskriminierung festgestellt. Somit könnte es sein, dass das Alpha-Leistungsspektrum keine kausale Rolle in der taktilen temporären Diskriminierung hat. Andererseits könnte es auch sein dass die hier genutzte tACS-Konfiguration nicht geeignet war die taktilen temporären Diskriminierung zu beeinflussen. Da es in der tACS-Literatur sowohl positive als auch negative Ergebnisse gibt, werden in dieser Arbeit methodische Aspekte diskutiert. Es wird geschlussfolgert, dass das negative Ergebnis zur Literatur beiträgt, indem eine tACS-Konfiguration gezeigt wird, welche die taktile temporäre Diskriminierung nicht moduliert. Das Wissen von negativen Ergebnissen ist relevant in der tACS-Forschung aufgrund der vielen Freiheitsgrade, die das Planen von tACS-Experimenten beinhaltet. Zusammenfassend behandelt diese Arbeit neuronale Oszillationen in der somatosensorischen Domäne. Es wird gezeigt, (1) dass alpha-Oszillationen vor der Finger-Stimulation mit gamma-Oszillationen nach der Finger-Stimulation zusammenhängen. Außerdem wird gezeigt, (2) dass tACS mit 10 Hz keinen Einfluss auf die Fähigkeit der taktilen temporäre Diskriminierung hat, obwohl tACS eine häufig benutzte Methode ist um neuronale Oszillationen zu modulieren und Kausalität zu erforschen. Neuronal oscillations are a ubiquitous phenomenon in the brain. They occur in different frequency bands which have been attributed to different functions. Alpha oscillations (8 – 12 Hz) have been related to inhibition or excitability of a brain area. It has been shown that the power of prestimulus alpha oscillations in the primary somatosensory cortex (S1) negatively correlates with temporal tactile discrimination. Furthermore, gamma oscillations (40 – 150 Hz) have been related to the processing of stimuli. This thesis builds upon these results by (1) studying the role of poststimulus gamma power in relation to prestimulus alpha power and tactile temporal discrimination by using magnetoencephalography (MEG). And (2) by studying the causal role of alpha power on tactile temporal discrimination by using transcranial alternating current stimulation (tACS). A tactile temporal discrimination task was used in which participants received two subsequent electrical stimuli to their left index finger with different stimulus onset asynchronies (SOAs). After finger stimulation, participants respond whether they perceived one or two stimuli. At specific SOAs, perception between one or two stimuli varies despite identical physical stimulation. Therefore, this task offers the possibility to study the effects of neuronal oscillations on temporal tactile discrimination. In the first study, participants performed the tactile temporal discrimination task while brain activity was measured with MEG. It was hypothesized that poststimulus gamma power correlates positively with tactile temporal discrimination and negatively with prestimulus alpha power. However, data showed that poststimulus gamma power does not correlate with temporal tactile discrimination. Additionally, the data revealed a U-shaped relation between prestimulus alpha power and poststimulus gamma power. That is, both low and high prestimulus alpha power were related to high poststimulus gamma power whereas intermediate alpha power was related to low gamma power. Given that poststimulus gamma power was high at alpha power levels that relate to either the perception of mainly one stimulus or the perception of mainly two stimuli, it is concluded that high gamma power represents unambiguous stimulus processing rather than veridical processing. At intermediate alpha power, perception varied the most between one and two stimuli. Given that gamma power was low at intermediate alpha power, low gamma power could represent ambiguous processing. In the second study, participants performed the tactile temporal discrimination task while and after tACS at 10 Hz, 5 Hz and sham was applied on primary somatosensory cortex. It was hypothesized that tACS at 10 Hz decreases tactile temporal discrimination ability. However, no influence of tACS at 10 Hz was found on temporal tactile discrimination. Thus, it could be that alpha power is not causally related to tactile temporal discrimination or the setup used in this thesis was not able to modulate tactile temporal discrimination. Given both negative and positive results in the tACS literature, methodological issues are discussed in this thesis. It is concluded that a negative results adds to the literature by providing a tACS setup that is unable to modulate tactile temporal discrimination. Knowledge of negative results is crucial given the many degrees of freedom in the planning of tACS experiments. In conclusion, this thesis contributes to the research of neuronal oscillations in the somatosensory domain by showing that (1) prestimulus alpha power is related to poststimulus gamma power and (2) even though tACS is known as a method to modulate neuronal oscillations and study causality, no change in temporal tactile discrimination performance was found.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Medizinische Psychologie
Dokument erstellt am:	08.07.2021
Dateien geändert am:	08.07.2021
Promotionsantrag am:	17.12.2020
Datum der Promotion:	25.06.2021