Dokument: Investigation of Oscillatory Brain Networks in Essential Tremor and Parkinson’s Disease: The Clinical and Behavioral Relevance of Subcortico-Cortical Coupling

Titel:	Investigation of Oscillatory Brain Networks in Essential Tremor and Parkinson’s Disease: The Clinical and Behavioral Relevance of Subcortico-Cortical Coupling
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70180
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250716-132244-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Steina, Alexandra [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,11 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.07.2025 / geändert 13.07.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Schnitzler, Alfons [Gutachter] Prof. Dr. Heinzel, Thomas [Gutachter]
Beschreibungen:	Deep brain stimulation (DBS) is a surgical therapy that alleviates symptoms in movement disorders such as essential tremor and Parkinson’s disease, by delivering electrical stimulation to disease-specific deep brain structures. In addition to therapeutic benefits, the implantation of electrodes for DBS provides a unique opportunity to record electrical activity in otherwise inaccessible regions of the brain. Studies of this activity have revealed pathological alterations of neuronal oscillatory activity. Further, it has been shown that oscillatory activity can be synchronized across spatially separated areas, potentially reflecting inter-regional communication. The present thesis aimed to characterize oscillatory brain networks in Parkinson’s disease and essential tremor. The goal was to advance our knowledge about the pathological mechanisms underlying both diseases and to clarify the significance of subcortico-cortical coupling for both behavior and therapy. For this, four studies were performed that combined magnetoencephalography, a non-invasive recording technique that measures activity from the cortex, with recordings from DBS electrodes. In Parkinson’s disease, signals were recorded from the subthalamic nucleus (STN) and in essential tremor from the ventral intermediate nucleus of the thalamus (VIM). Study 1 sought to explore whether local synchrony within the STN and STN-cortex coupling could predict the reduction of symptom severity achieved by DBS. The study showed that particularly the coupling between STN and cortex was informative about DBS outcome, implying that it may serve as a biomarker indicative of the response of patients with Parkinson’s disease to DBS therapy. In contrast, in essential tremor, oscillatory coupling between the VIM and cortex is far less characterized, and its behavioral and clinical importance remains to be determined. To close this knowledge gap, Study 2 investigated VIM-cortex coupling at rest and compared it to STN-cortex coupling. Interestingly, the cortical regions and frequency bands involved were similar to those observed for the STN, suggesting that certain aspects of subcortico-cortical coupling may reflect universal properties of oscillatory brain networks. To further uncover the pathological mechanisms underlying essential tremor, Study 3 aimed at characterizing oscillatory activity during action tremor, the main symptom of essential tremor. The study demonstrated that oscillatory coupling at tremor frequency between VIM, motor cortex and cerebellum increased in the presence of tremor, suggesting that pathological synchronization of oscillatory activity may contribute to disease pathology of essential tremor. Moreover, tremor amplitude correlated with the strength of synchronization between VIM and motor cortex, indicating that this oscillatory interaction may serve as a neural marker of tremor severity. Study 4 examined whether synchronization between the VIM and cortex changes when patients engage in voluntary movements. The study revealed frequency-specific modulations of VIM-cortex coupling, including a decrease in coupling strength in the beta frequency range (13–21 Hz), a phenomenon that has been observed across other diseases and midbrain nuclei. In line with Study 2, these results suggest that movement-related modulations of oscillatory activity might reflect universal principles of motor network dynamics, rather than being specific to a disease. The thesis advances our understanding of STN-cortex oscillatory coupling in Parkinson’s disease and VIM-cortex coupling in essential tremor, emphasizing the clinical and behavioral significance of subcortico-cortical interactions. The presented studies offer new insights into general properties of oscillatory brain networks and their role in disease, while suggesting that subcortico-cortical coupling could serve as a clinical marker to enhance future therapies. Die tiefe Hirnstimulation (THS) ist eine chirurgische Therapie, die die Symptome von Bewegungsstörungen wie essentiellem Tremor und Morbus Parkinson lindert, indem elektrische Pulse an krankheitsspezifische tiefe Hirnstrukturen abgegeben wird. Neben den therapeutischen Vorteilen bietet die Implantation von Elektroden für die THS die einzigartige Möglichkeit, elektrische Aktivität in ansonsten unzugänglichen Regionen des Gehirns aufzuzeichnen. Untersuchungen dieser Aktivität haben pathologische Veränderungen der neuronalen oszillatorischen Aktivität aufgezeigt. Außerdem hat sich gezeigt, dass die oszillatorische Aktivität über räumlich getrennte Hirnareale hinweg synchronisiert ist, was möglicherweise interregionale Kommunikation widerspiegelt. Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, oszillatorische Hirnnetzwerke bei Morbus Parkinson und essentiellem Tremor zu charakterisieren. Ziel war es, unser Wissen über die pathologischen Mechanismen, die beiden Krankheiten zugrunde liegen, zu erweitern und die Bedeutung der subkortiko-kortikalen Kopplung sowohl für das Verhalten als auch für die Therapie zu klären. Zu diesem Zweck wurden vier Studien durchgeführt, in denen Magnetoenzephalographie, eine nicht-invasive Methode zur Messung kortikaler Aktivität, mit Aufzeichnungen von den THS-Elektroden kombiniert wurde. In Parkinson wurden die Signale aus dem Nucleus subthalamicus (STN) und beim essentiellen Tremor aus dem Nucleus ventralis intermedius des Thalamus (VIM) aufgezeichnet. In Studie 1 wurde untersucht, ob die Synchronität von lokaler Aktivität innerhalb des STN und die Kopplung zwischen STN und Kortex die durch THS erzielte Verringerung der Symptomschwere vorhersagen können. Die Ergebnisse zeigten, dass insbesondere die Synchronisation zwischen STN und Kortex auf den THS-Erfolg hinweist. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die interregionale oszillatorische Kopplung als Marker genutzt werden könnte, um den Therapieerfolg vorherzusagen. Im Gegensatz dazu ist die oszillatorische Kopplung zwischen VIM und Kortex beim essentiellen Tremor weit weniger erforscht, und ihre verhaltensbezogene sowie klinische Bedeutung ist noch unklar. Um diese Wissenslücke zu schließen, untersuchte Studie 2 die VIM-Kortex Kopplung in Ruhe und verglich sie mit der STN-Kortex Kopplung. Interessanterweise waren die beteiligten kortikalen Regionen und Frequenzbänder denen des STN ähnlich, was darauf hindeutet, dass bestimmte Aspekte der subkortiko-kortikalen Synchronität universelle Eigenschaften oszillatorischer Netzwerke des Gehirns widerspiegeln könnten. Um die pathologischen Mechanismen des essentiellen Tremors weiter zu entschlüsseln, untersuchte Studie 3 die oszillatorische Aktivität während des Aktionstremors, dem Hauptsymptom der Erkrankung. Die Ergebnisse zeigten, dass die oszillatorische Kopplung in der Tremorfrequenz zwischen VIM, Motorkortex und Kleinhirn bei Auftreten des Tremors verstärkt wurde, was darauf hindeutet, dass eine pathologische Synchronisation oszillatorischer Aktivität zur Krankheitsentstehung beitragen könnte. Darüber hinaus korrelierte die Tremoramplitude mit der Stärke der Synchronisation zwischen VIM und motorischem Kortex, was darauf hinweist, dass diese Interaktion als neuronaler Marker für die Stärke des Tremors dienen könnte. Studie 4 untersuchte, ob sich die Synchronisation zwischen VIM und Kortex verändert, wenn Patienten freiwillige Bewegungen ausführen. Die Studie zeigte frequenzspezifische Modulationen, darunter eine Abnahme der Kopplungsstärke im Beta-Frequenzbereich (13–21 Hz). Dieses Phänomen ist auch bei anderen Erkrankungen und in anderen Mittelhirnkernen zu beobachten. Im Einklang mit Studie 2, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass bewegungsbezogene Modulationen der oszillatorischen Aktivität eher universelle Prinzipien von motorischen Netzwerken widerspiegeln als krankheitsspezifische Mechanismen. Die Dissertation erweitert unser Verständnis der oszillatorischen Kopplung zwischen STN und Kortex in Morbus Parkinson und zwischen VIM und Kortex im essentiellen Tremor und betont die klinische und verhaltensbezogene Relevanz subkortikokortikaler Interaktionen. Die präsentierten Studien liefern neue Erkenntnisse über allgemeine Eigenschaften oszillatorischer Netzwerke und ihre Rolle bei Krankheiten, während die Studien auch darauf hindeuten, dass subkortiko-kortikale Kopplung als klinischer Marker zur Verbesserung zukünftiger Therapien beitragen könnte.
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Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Medizinische Psychologie
Dokument erstellt am:	16.07.2025
Dateien geändert am:	16.07.2025
Promotionsantrag am:	18.02.2025
Datum der Promotion:	28.04.2025