Dokument: Alterations in network activity and STN beta bursts in Parkinson’s disease

Titel:	Alterations in network activity and STN beta bursts in Parkinson’s disease
Weiterer Titel:	Veränderungen der Netzwerkaktivität und STN-Beta-Bursts bei Morbus Parkinson
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=62111
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230306-084322-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sure, Matthias [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 54,79 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.02.2023 / geändert 28.02.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Florin, Esther [Gutachter] Prof. Dr. Heinzel, Thomas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Neurale Oszillationen liefern einen zentralen Beitrag zu den Funktionszuständen einzelner Hirnregionen und zur neuronalen Kommunikation zwischen Hirnregionen. Weitreichende funktionelle Netzwerke werden in der Regel auf der Grundlage von zeitlich ausgedehnten Oszillationen bestimmt, z. B. durch Phasen-Amplituden-Kreuzfrequenz-Kopplung zwischen nieder- und hochfrequenten Oszillationen. Neurale Oszillationen können jedoch auch transient in Form von zeitlich begrenzten neuralen Ereignissen, einer vorübergehenden Erhöhung der Power in einem bestimmten Frequenzband, auftreten. Es ist anzunehmen, dass, da neurale Ereignisse synchron in verschiedenen Hirnregionen auftreten können, diese Ereignisse auch zur Netzwerkbildung beitragen. Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Netzwerkbildung durch subkortikale oszillatorische neurale Ereignisse beim Menschen am Beispiel der subthalamischen Beta-Bursts, die mit invasiven Methoden zuverlässig bestimmt werden können. Leider bieten nicht-invasive Methoden nicht die räumliche oder zeitliche Auflösung, um subkortikale neurale Ereignisse zu erfassen. Daher wurde die Hirnaktivität von Parkinson-Patienten aufgezeichnet, bei denen eine therapeutische tiefe Hirnstimulation (DBS) des Nucleus subthalamicus (STN) durchgeführt wurde, wo Beta-Bursts bekannte neurale Ereignisse sind, die mit der Pathophysiologie der Krankheit in Verbindung gebracht werden. Einige Tage nach der DBS-Operation war es möglich, gleichzeitig sowohl lokale Feldpotentiale (LFP) im STN über externalisierte DBS-Elektroden als auch die Aktivität im Kortex über Magnetoenzephalografie (MEG) mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen. Die Aufzeichnungen erfolgten in Ruhe, sowohl nach Einnahme als auch nach Absetzung dopaminerger Medikamente. Die vorliegende Arbeit umfasst drei empirische Studien. In Studie 1 wurden die räumlichen und spektralen Eigenschaften von STN-Beta-Bursts als Reaktion auf dopaminerge Medikation mithilfe von gerichteten DBS-Elektroden untersucht. Ziel war es, optimale Einstellungen für die Erkennung von STN-Beta-Bursts zu ermitteln. Auf der Grundlage von Studie 1 wurde in Studie 2 die Netzwerkbildung durch STN-Beta-Bursts auf Basis kombinierter subkortikaler LFP- und kortikaler MEG-Messungen untersucht. Für die Netzwerkbildung wurde die kortikale Aktivität untersucht, die zeitlich an das Auftreten von STN-Beta-Bursts gekoppelt ist. Schließlich wurde in Studie 3 die Wirkung der DBS-Elektrodenimplantation auf MEG-Ruhenetzwerke (RSN) untersucht, um mögliche neurophysiologische Mechanismen des Setzeffekts, einer vorübergehenden Verbesserung der motorischen Symptome nach der Elektrodenimplantation, zu identifizieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass STN-Beta-Bursts an der Bildung multifunktionaler Netzwerke zwischen dem Kortex und dem STN beteiligt sind. Darüber hinaus beeinflusste die DBS-Elektrodenimplantation neben den erwarteten Veränderungen im motorischen Netzwerk auch das frontale, fronto-okzipitale und visuelle RSN. Neural oscillations provide a central contribution to the functional states of individual brain regions and the neural communication between brain regions. Large-scale functional networks are usually determined based on temporally extended oscillations, e.g., phase-amplitude cross-frequency coupling between low and high-frequency oscillations. However, neural oscillations can also occur transiently in the form of temporally limited neural events, a temporary power increase in a specific frequency band, and it can be assumed that since neural events can occur synchronously in different brain regions, these events also contribute to network formation. The central topic of this work is network formation by subcortical oscillatory neural events in humans, on the example of subthalamic beta bursts, which invasive methods can reliably determine. Unfortunately, non-invasive methods do not provide the spatial or temporal resolution to detect subcortical neural events. Therefore, brain activity was recorded from patients with Parkinson’s disease undergoing therapeutic deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN), where beta bursts are well-known neural events that have been linked to the pathophysiology of the disease. During a few days after DBS surgery, it was possible to simultaneously record both local field potentials (LFP) in the STN via externalized DBS electrodes and activity at the cortex via magnetoencephalography (MEG) with a high temporal resolution. Recordings were performed during rest, both ON and OFF dopaminergic medication. The current thesis comprises three empirical studies. In study 1, the spatial and spectral characteristics of STN beta bursts in response to dopaminergic medication were investigated using directional DBS electrodes. The aim was to determine optimal settings for the detection of STN beta bursts. Based on study 1, study 2 investigated network formation by STN beta bursts using combined subcortical LFP and cortical MEG recordings. For network formation, cortical activity temporally coupled to the occurrence of STN beta bursts was examined. Finally, study 3 investigated the effect of DBS electrode implantation on MEG resting-state networks (RSN) to identify potential neurophysiological mechanisms of the stun effect, a transient improvement of motor symptoms following the electrode implantation. The present work shows that STN beta bursts are involved in forming multifunctional networks between the cortex and the STN. Furthermore, DBS electrode implantation affected the frontal, fronto-occipital, and visual RSN, in addition to the expected changes in the motor network.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Medizinische Psychologie
Dokument erstellt am:	06.03.2023
Dateien geändert am:	06.03.2023
Promotionsantrag am:	15.11.2022
Datum der Promotion:	31.01.2023