Dokument: Movement-related and disease-dependent interactions between subthalamic nucleus and cortex in Parkinson’s disease and obsessive-compulsive disorder
| Titel: | Movement-related and disease-dependent interactions between subthalamic nucleus and cortex in Parkinson’s disease and obsessive-compulsive disorder | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=71314 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20251120-161356-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Winkler, Lucie [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Butz, Markus [Gutachter] Prof. Dr. Jocham, Gerhard [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie | |||||||
| Beschreibungen: | Neural beta oscillations in the cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop, and particularly within
the subthalamic nucleus (STN), have consistently been associated with motor control. These oscillations have been studied extensively in Parkinson’s disease (PD) patients who present with pathologically elevated beta activity linked to motor impairments. Deep brain stimulation (DBS), a common treatment for advanced PD, can reduce pathological beta activity, suggesting a connec- tion between beta oscillations and motor symptoms. Many studies have capitalized on the unique opportunity to measure neural oscillatory activity directly from the STN in these patients and have revealed valuable insights into PD pathophysiology, PD treatment, and the neural control of simple motor programs. However, the broader role of beta oscillations in the control of complex movement under cognitive challenge, as well as in neurological and psychiatric conditions other than PD, is still largely unknown. The present thesis is intended to extend our knowledge of the oscillatory mechanisms of motor control to complex movement contexts, involving continuous movements under conditions varying in cognitive challenge, as well as to patients who do not suffer from PD or motor impairment. Further, this work aimed at revealing the effect of DBS on beta oscillations in patients with diseases other than PD. Two studies were conducted, in both of which magnetoencephalography (MEG) and STN local field potentials (LFPs) were measured simultaneously. 20 PD patients performed a visually cued motor task, involving changes in direction of a continuously performed movement and two conditions varying in the extent to which the next movement prompt could be predicted (Study 1). Additionally, one patient with obsessive-compulsive disorder (OCD) and one PD patient were recorded performing a visually cued Go/NoGo task (Study 2). The OCD patient was further recorded at rest while DBS was either ON or OFF to test the influence of DBS on neural oscillatory activity in OCD. In both studies, changes in oscillatory power and STN-cortex coherence were considered to assess the effects of the motor tasks and, in the case of the OCD patient, the effect of DBS. Study 1 investigated the oscillatory mechanisms of stopping an ongoing action in comparison to briefly halting an action in the context of a complex motor paradigm and varying levels of predictability of motor commands. To do so, PD patients were instructed to turn a wheel, change movement direction, which involved a brief halt in motion, and stop. The beginning of a motor sequence was marked by the suppression of cortical and subthalamic beta power and STN-cortex coherence. Fully terminating a motor sequence was associated with a beta rebound in motor cortex, STN and STN-cortex coherence, whereas briefly halting a movement in the context of a reversal of movement direction was not. Instead, during changes of movement direction, motor cortical beta power was primarily suppressed in the ipsilateral hemisphere, as it had already reached its low in the contralateral hemisphere in the course of the movement. In the STN, brief modulations of high beta power were observed which differed from the post-movement beta rebound spectrally and in amplitude. Interestingly, it was revealed that an unpredictable movement Summary 7 context was associated with enhanced movement-related modulations of beta coherence between motor cortex and the STN. Study 1 therefore suggests that briefly halting in the course of a continuous movement and stopping a movement completely have distinct oscillatory profiles. Possibly, the beta rebound does not occur during brief pauses, because it would hinder the recontinuation of movement. Lastly, the study provides first evidence that beta oscillations are associated with cognitive processes in the context of complex movement. Heightened coherence likely reflected the recruitment of additional neural resources in an unpredictable movement scenario requiring enhanced levels of caution. Study 2 aimed at assessing the effect of DBS on neural oscillatory activity in a single case of OCD, a disorder not marked by motor dysfunction, as well as changes in brain activity that occur during a motor task requiring intact behavioral inhibition. The study revealed strong peaks in resting-state beta power in the right STN and in coherence between the right STN and sensori- motor cortex in the OCD patient. These peaks were reduced by means of DBS, tallying with the existing literature on PD. During a visually cued Go/NoGo task, both the OCD patient and a control patient with PD demonstrated changes in the beta band in motor cortex, including beta suppression and rebound in Go-trials. In NoGo trials, which involve the inhibition of a prepotent response, the beta suppression was interrupted by an early rebound. Interestingly, the oscillatory patterns differed between patients in the STN. In the PD patient, STN power dynamics were generally comparable to motor cortex and involved the beta band. In the OCD patient, differences occurred in the theta band instead: NoGo trials revealed higher theta power compared to Go-trials. Study 2 suggests that DBS-responsive beta oscillations are not limited to PD and motor dysfunction. Task-based oscillations distinguished better between PD and OCD than resting-state neural oscillations, indicating a stronger association with the diseases. The theta and beta bands appeared to be selectively linked with OCD and PD pathologies, respectively. The studies presented here demonstrate the sensitivity of beta oscillations to motor and cognitive demands, as well as their response to DBS in OCD. Beta oscillations across cortico-basal ganglia loops reveal enhanced activity during cognitive challenge and reflect the beginning and end of motor sequences. Power modulations during brief changes of a motor program differ from those at movement termination in amplitude and frequency. The occurrence of beta oscillations and their responsiveness to DBS is, however, not necessarily limited to PD patients but can be observed in the resting state in OCD, a disorder not characterized by motor impairment. In contrast, task based power modulations appear to be better suited to differentiate between PD and OCD. These findings broaden our understanding of the role of neural beta oscillations in cortico-basal ganglia loops during movement and in DBS, as well as in the distinction between different disorders. As such, they might aid the advancement of therapeutic interventions in the future.Neuronale Beta Oszillationen innerhalb der Kortiko-Basalganglien-Thalamo-kortikalen Schleife, insbesondere im Nucleus subthalamicus (STN), stehen in engem Zusammenhang mit der motorischen Kontrolle. Bei Patienten mit Morbus Parkinson (PD) wurde in diesem Netzwerk eine pathologisch erhöhte Beta-Aktivität beobachtet, die mit motorischen Einschränkungen einhergeht. Die tiefe Hirnstimulation (THS), eine gängige Therapie bei fortgeschrittenem PD, reduziert die pathologische Beta-Aktivität, was einen Zusammenhang zwischen dem Beta-Frequenzband und motorischen Symptomen nahelegt. Durch zahlreiche vorherige Forschungsarbeiten, in denen neuronale Oszillationen im STN von PD-Patienten aufgezeichnet wurden, konnten wertvolle Einblicke in die Pathophysiologie von PD, die Behandlung von PD, sowie die neuronale Steuerung einfacher Bewegungsmuster gewonnen werden. Die umfassendere Rolle von Beta-Oszillationen bei der Kontrolle komplexer Bewegungsabläufe unter kognitiver Beanspruchung, sowie bei anderen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen, ist jedoch weitgehend unbekannt. Die vorliegende Dissertation erweitert unser Verständnis der oszillatorischen Mechanismen der motorischen Kontrolle auf komplexe Bewegungskontexte, die kontinuierliche Bewegungen mit unterschiedlichen kognitiven Anforderungen umfassen, sowie auf Patienten ohne PD oder moto- rischer Beeinträchtigung. Ein weiteres Ziel war es, die Wirkung der THS auf die Beta-Aktivität bei anderen Krankheitsbildern als PD zu untersuchen. In zwei Studien wurden jeweils simultan Magnetenzephalographie (MEG) und lokale Feld- potenzialaufzeichnungen (LFPs) aus dem STN erfasst. 20 PD-Patienten führten eine visuell instruierte Bewegungsaufgabe mit Richtungswechseln innerhalb kontinuierlicher Bewegungen durch (Studie 1). Die Aufgabe wurde in zwei Bedingungen unterteilt, die sich im Grad der Vorhersehbarkeit der als nächstes durchzuführenden Bewegung unterschieden. Zusätzlich führten eine Patientin mit Zwangsstörung (OCD) und eine Patientin mit PD eine visuelle Go/NoGo Aufgabe durch (Studie 2). Die OCD-Patientin wurde darüber hinaus im Ruhezustand sowohl unter aktiver THS als auch ohne Stimulation untersucht, um den Einfluss der THS auf die neuronale Oszillationsaktivität zu analysieren. In beiden Studien wurden Veränderungen in der oszillatorischen Power und der STN-Kortex-Kohärenz erfasst, um die aufgabenspezifischen Effekte, und - im Fall der OCD-Patientin - die Wirkung der THS, zu bewerten. Studie 1 untersuchte die oszillatorische Dynamik beim Anhalten einer laufenden Bewegung im Vergleich zu einem kurzen Stopp innerhalb eines komplexen Bewegungsparadigmas, sowie die Unterschiede zwischen verschiedenen Vorhersagbarkeitsebenen von Bewegungsanweisungen. Zu diesem Zweck wurden PD-Patienten angewiesen, ein Rad zu drehen, die Drehrichtung zu ändern, was einen kurzen Stopp der Bewegung erforderte, und anzuhalten. Der Beginn einer Bewegungssequenz war mit der Unterdrückung kortikaler und subthalamischer Beta-Power und STN-Kortex Beta-Kohärenz verbunden. Das vollständige Anhalten einer Bewegungssequenz ging mit einem Beta-Rebound im motorischen Kortex, im STN und in der STN-Kortex-Kohärenz einher. Kurze Stopps innerhalb einer Richtungsänderung zeigten hingegen keinen Beta- Rebound. Stattdessen traten kurzzeitige Modulationen der Power im höheren Beta-Bereich im STN auf. Im motorischen Kortex zeigte sich vor allem in der ipsilateralen Hemisphäre eine Beta-Suppression, da in der kontralateralen Hemisphäre bereits ein Bodeneffekt erreicht war. Zusammenfassung 9 Auffällig war, dass bei geringer Vorhersagbarkeit die bewegungsabhängige Modulation der Beta Kohärenz zwischen STN und Kortex zunahm. Studie 1 legt nahe, dass kurze Unterbrechungen und das Anhalten einer kontinuierlichen Bewegung unterschiedliche oszillatorische Profile aufweisen. Möglicherweise unterbleibt der Beta-Rebound bei kurzen Pausen, da er die Wiederaufnahme der Bewegung verzögern würde. Schließlich liefert die Studie erste Hinweise auf eine Beteiligung von Beta-Oszillationen in kognitiven Prozessen im Kontext komplexer Bewegungen. Die erhöhte STN-Kortex-Kohärenz war möglicherweise Ausdruck einer gesteigerten Rekrutierung neuronaler Ressourcen in einer Situation, die aufgrund von geringer Vorhersehbarkeit ein höheres Maß an Vorsicht erforderte. Studie 2 verfolgte das Ziel, die Effekte der THS auf neuronale Oszillationen bei OCD – einer nicht motorischen Erkrankung – zu untersuchen, sowie die Gehirnaktivität während einer motorischen Inhibitionsaufgabe zu analysieren. Im Ruhezustand zeigten sich bei einer OCD-Patientin aus- geprägte Beta-Power im rechten STN und verstärkte Kohärenz zwischen dem rechten STN und dem sensomotorischen Kortex, die durch THS signifikant reduziert wurden, vergleichbar mit bisherigen Befunden bei PD-Patienten. Während einer visuellen Go/NoGo-Aufgabe traten sowohl bei der OCD-Patientin als auch bei einer Kontrollpatientin mit PD im motorischen Kortex typische Veränderungen im Beta-Band auf, einschließlich Beta-Suppression und Beta-Rebound in Go Durchgängen. In NoGo-Durchgängen, welche die Inhibierung einer geplanten Reaktion erfordern, wurde eine Beta-Suppression mit vorzeitigem Rebound beobachtet. Interessanterweise unter- schieden sich die Oszillationsmuster zwischen den Patientinnen auf STN-Ebene. Bei der PD Patientin dominierten Power-Modulationen im Beta-Band, die weitgehend denen im motorischen Kortex entsprachen. Bei der OCD-Patientin waren die Effekte auf das Theta-Band beschränkt: NoGo-Versuche zeigten eine deutlich höhere Theta-Power als Go-Versuche. Studie 2 deutet darauf hin, dass durch THS modulierte Beta-Oszillationen nicht zwangsläufig auf PD und motorische Dysfunktionen begrenzt sind. Aufgabenbezogene neuronale Oszillationen unterschieden deutlicher zwischen PD und OCD als solche im Ruhezustand und spiegeln demnach die Krankheiten besser wider. Die Theta- bzw. Beta-Band-Aktivität zeigte eine selektive Assoziation mit den Pathologien von OCD und PD. Die hier vorgestellten Studien verdeutlichen die Responsivität von Beta-Oszillationen gegenüber motorischen und kognitiven Anforderungen sowie deren Reaktion auf die THS bei OCD. Beta Aktivität in Kortiko-Basalganglien Netzwerken nimmt unter kognitiver Herausforderung zu und markiert den Beginn und das Ende von Bewegungssequenzen. Temporäre Veränderungen inner- halb einer Bewegungssequenz unterscheiden sich in Bezug auf Frequenz und Amplitude von der vollständigen Beendigung der Bewegung. Beta-Oszillationen und deren Reaktion auf THS sind jedoch nicht auf PD-Patienten beschränkt, sondern werden auch in OCD, einer Krankheit ohne Bewegungsstörung, im Ruhezustand beobachtet. Die aufgabenspezifischen Modulationen neuronaler Oszillationen scheinen die Unterschiede zwischen PD und OCD hingegen deutlicher zu zeigen. Diese Erkenntnisse tragen zu einem tieferen Verständnis der Rolle von Oszillationen in Kortiko-Basalganglien Netzwerken im Zusammenhang mit Bewegung und der THS sowie bei der Unterscheidung verschiedener Krankheiten bei und könnten daher zukünftig zur Weiter- entwicklung therapeutischer Interventionen beitragen. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Psychologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 20.11.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 20.11.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 01.07.2025 | |||||||
| Datum der Promotion: | 30.10.2025 |
