Erforschung der kausalen Rolle von Beta-Oszillationen in der Kognition mittels Tiefer Hirnstimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Basalganglien gehören zu den faszinierendsten Strukturen im Gehirn. Trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung bleibt ihre Funktion weiterhin umstritten. Unbestritten ist jedoch, dass das Verständnis der Basalganglien nur möglich ist, wenn man sie als Teil eines weitreichenden Netzwerks betrachtet. Dieses Netzwerk ist in segregierten, parallelen Schleifen organisiert, die spezialisierte Bereiche in Kortex, Basalganglien und Thalamus miteinander verbinden. Obwohl wir noch nicht genau wissen, wie Informationen in diesen Schleifen verarbeitet werden, wächst das Wissen über ihre Neurophysiologie rasant. Eines der Schlüsselkonzepte ist die bedeutende Rolle zeitlicher Aktivitätsmuster. Entsprechend stehen neuronale Oszillationen, die innerhalb und zwischen großen neuronalen Ensembles synchronisiert sind, im Zentrum intensiver Forschung. Im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit (PD) konzentriert sich die Forschung auf die neuronale Synchronisation im Beta-Frequenzbereich (12–30 Hz). Beta-Oszillationen korrelieren mit dem Schweregrad der motorischen Symptome und werden durch Standardtherapien wie dopaminerge Medikation und Tiefe Hirnstimulation (DBS) abgeschwächt. Ziel dieses Forschungsprojekts war zu klären, ob Beta-Oszillationen motorische Symptome verursachen könnten, und damit mehr als ein Begleitphänomen sein könnten. Zu diesem Zweck führten wir zwei Studien mit Parkinson-Patienten durch, die ein DBS-Gerät implantiert hatten. Zur therapeutischen Stimulation werden normalerweise hohe Frequenzen genutzt (>100 Hz). Hier reduzierten wir die Stimulationsfrequenz auf etwa 20 Hz, um zu untersuchen, ob eine Stimulation im Beta-Band Bewegungen verlangsamt. Gleichzeitig maßen wir die Gehirnaktivität mittels Magnetenzephalographie (MEG). Studie 1 untersuchte den Effekt von Beta-Band-DBS auf die Ruheaktivität des Gehirns und die Fingertippgeschwindigkeit bei 14 PD-Patienten. Wir fanden heraus, dass Beta-Band-DBS die Stärke von motorischen kortikalen Beta-Oszillationen im Bereich von 8–26 Hz erhöht und gleichzeitig das Fingertippen verlangsamt. Beide Effekte waren korreliert, d. h. je stärker die kortikale Beta-Aktivität gesteigert wurde, desto stärker war die Verlangsamung der Bewegung. Im Gegensatz zur ursprünglichen Hypothese bewirkte die Beta-Band-DBS jedoch keine Veränderung der Frequenz von kortikalen Oszillationen (kein Entrainment). Die Ergebnisse von Studie 1 sind im Einklang mit einer kausalen Rolle von Beta-Oszillationen für die Kontrolle der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Befunde wurden kürzlich im Journal of Neuroscience veröffentlicht. Studie 2 läuft derzeit noch und untersucht den Effekt von Beta-Band-DBS auf die Reaktionsinhibition, ein motorisch-kognitives Verhalten, das mutmaßlich auf Beta-Oszillationen beruht. Die Patienten führen eine Go/No-Go-Aufgabe durch, bei der sie schnell auf ein Go-Signal reagieren, jedoch ihre Reaktion bei einem No-Go-Signal unterdrücken sollen. Ein Hinweisreiz zeigt jeweils an, ob das nächste Signal wahrscheinlich ein Go- oder NoGo-Signal ist. Mit dieser Studie hoffen wir, den Effekt von Beta-Band-DBS auf die Reaktionsinhibition und die damit assoziierte Gehirnaktivität aufzudecken. Bisher haben wir 15 Patienten gemessen (avisierte Stichprobengröße: 20).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Poster at Movement Disorders 2023 by Lucy M. Werner: “Subthalamic nucleus deep brain stimulation in the beta range modulates cortical beta oscillations in Parkinson’s disease patients”
Lucy M. Werner
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Poster at the annual meeting of the Society for Neuroscience 2023 by Lucy M. Werner: “The impact of subthalamic nucleus deep brain stimulation in the beta range on cortical beta oscillations in Parkinson's disease patients”
Lucy M. Werner
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Talk at MEG-UKI 2024 by Lucy M. Werner: “The impact of subthalamic nucleus deep brain stimulation in the beta range on cortical beta oscillations and motor performance”
Lucy M. Werner
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Subthalamic Nucleus Deep Brain Stimulation in the Beta Frequency Range Boosts Cortical Beta Oscillations and Slows Down Movement. The Journal of Neuroscience, 45(9), e1366242024.
Werner, Lucy M.; Schnitzler, Alfons & Hirschmann, Jan
