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Langzeitdepressions-ähnliche Minderung kortikospinaler Exzitabilität durch ein assoziatives Paarstimulationsprotokoll : Methodische Untersuchungen und neurophysiologisches Mapping

Long-term depression-like reduction of corticospinal excitability by the use of a paired associative stimulation protocol: Systematic examination and neurophysiologic mapping

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-36245
  • Neuronale Plastizität ist die Voraussetzung für Lernen und Erinnerung. Sie wurde in einer Reihe von Experimenten am Menschen und am Tier eindrucksvoll demonstriert. Das zugrunde liegende Prinzip neuronaler Plastizität ist die Modulierbarkeit synaptischer Übertragungseffizienz. Diese kann im Sinne einer Langzeitpotenzierung (LTP) sowohl hinauf als auch im Sinne einer Langzeitdepression (LTD) herab reguliert werden. Von besonderem Interesse im Allgemeinen und für diese Arbeit ist das Prinzip der assoziativen LTD: Wirkt auf das postsynaptischeNeuronale Plastizität ist die Voraussetzung für Lernen und Erinnerung. Sie wurde in einer Reihe von Experimenten am Menschen und am Tier eindrucksvoll demonstriert. Das zugrunde liegende Prinzip neuronaler Plastizität ist die Modulierbarkeit synaptischer Übertragungseffizienz. Diese kann im Sinne einer Langzeitpotenzierung (LTP) sowohl hinauf als auch im Sinne einer Langzeitdepression (LTD) herab reguliert werden. Von besonderem Interesse im Allgemeinen und für diese Arbeit ist das Prinzip der assoziativen LTD: Wirkt auf das postsynaptische Neuron zunächst ein starker depolarisierender Reiz und danach in enger zeitlicher Kopplung ein schwacher nicht depolarisierender Reiz so kommt es in der Folge zu einer Erniedrigung der synaptischen Übertragungseffizienz. Für den menschlichen Motorkortex wurde ein experimentelles Protokoll entwickelt, dass mit Hilfe etablierter neurophysiologischer Methoden eine Veränderung der synaptischen Übertragungseffizienz im Sinne eines LTD-ähnlichen Phänomens bewirkt: beinahe synchrone und repetitive Kopplung peripherer N. medianus Stimulation (entspricht dem nicht depolarisierenden Reiz) und kontralateraler transkranieller Magnetstimulation (entspricht dem depolarisierenden Reiz) führt zu einer signifikanten Amplitudenreduktion der magnetisch evozierbaren Potentiale (MEP) des M. abductor pollicis brevis (APB). Voraussetzung für die Effektivität der assoziativen Paarstimulation (PAS-Protokoll) ist, dass der depolarisierende Reiz wenige Millisekunden vor dem nicht depolarisierenden Reiz auf die synaptischen Verbindungen des zentralen APB-Repräsentationsareals einwirkt. Das Ziel dieser Arbeit war es zunächst durch Optimierung der im PAS-Protokoll etablierten Stimulationsparameter die Robustheit und das Ausmaß der erzeugten Exzitabilitätsminderung im APB-Kortexareals zu steigern. Untersucht wurde erstens der Einfluss der Steigerung der Frequenz, sowie zweitens der absoluten Zahl applizierter Paarreize. Drittens wurde untersucht ob ein optimaler Wirkzeitabstand zwischen den beiden assoziativen Stimuli besteht: Eine Synchronisierung des Intervalls zwischen den beiden Paarreizen durch Normierung auf die individuelle Körperlänge führt zu einem konstanten Wirkzeitabstand innerhalb der synaptischen Verbindungen des zentralen APB-Repräsentationsareales. Dies erlaubt eine systematische Untersuchung des optimalen Wirkzeitabstandes der assoziativen Paarreize unabhängig von der individuellen Körperlänge. Mit einem so optimierten PAS-Protokoll wurde der zweite Teil der Arbeit durchgeführt: In den eben beschriebenen Vorversuchen wurde die Änderung der kortikomuskulären Exzitabilität durch Vergleich der durchschnittlichen MEP-Amplituden des Punktes der Schädeldecke, von dem aus eine maximale Reizantwort im Zielmuskel erzeugbar war bestimmt. Um jedoch eine möglichst umfassende Aussage über die Veränderung kortikomuskulärer Exzitabilität treffen zu können, wurde ein etabliertes Kartierungsverfahren verwendet, das eine Darstellung des APB-Repräsentationsareales als zweidimensionale Karte ermöglicht. Mit Hilfe dieser Mapping-Untersuchung sind Aussagen über die räumliche Dimension der Veränderungen kortikomuskulärer Exzitabilität möglich, die über den einfachen Vergleich der an einem Punkt gewonnenen Amplituden hinausgehen. In dieser Arbeit gelang die Induktion kortikaler Plastizität im Sinne assoziativer LTD-ähnlicher Plastizität. Aus unseren Ergebnissen lässt sich ableiten, dass weder durch eine Erhöhung der Frequenz noch der Anzahl der Paarstimuli eine wesentliche Steigerung des LTD-ähnlichen Phänomens zu erzeugen ist. Diesen Umstand führen wir im Wesentlichen auf eine Art Grenzwert der Modulierbarkeit kortikomuskulärer Exzitabilität zurück. Die grundsätzliche Möglichkeit, dass mentale Konzentration auf die in das PAS-Protokoll involvierten Muskeln eine bedeutsamere Rolle für das Ausmaß der induzierten Plastizität spielen könnte als die Intensität der assoziativen Induktion, wurde erörtert. Durch einen Normierungsprozess auf die individuelle Körpergröße kristallisiert sich ein definiertes Fenster der zeitlichen Kopplung der beiden assoziativen Reize mit optimaler LTD-ähnlicher Plastizität heraus. Bei selektiver Betrachtung einer Subgruppe der Mapping-Untersuchung ergaben sich Hinweise darauf, dass die räumliche Verteilung der Exzitabilität durch ein optimiertes PAS-Protokoll verändert wird. Diese Hinweise sind mit der Annahme zu vereinbaren, dass durch ein exzitabilitätsminderndes PAS-Protokoll aktive Synapsen deaktiviert werden können. Mögliche Ursachen für die vergleichsweise schlechte Reproduzierbarkeit der Plastizitätsergebnisse bei kumulativer Betrachtung aller Mapping-Experimente wurden diskutiert.show moreshow less
  • Neuronal plasticity is the prerequisite for learning and memory. It was demonstrated impressively in a series of experiments on human beings and animals. The basic principle of neuronal plasticity is that the efficiency of synaptic transmission can be modulated. It can be increased as in a long-term potentiation (LTP) and decreased as in a long-term depression (LTD). The principle of associative LTD is of special interest in general and for this study: if at first a strong depolarizing stimulus affects the postsynaptic neuron and then only aNeuronal plasticity is the prerequisite for learning and memory. It was demonstrated impressively in a series of experiments on human beings and animals. The basic principle of neuronal plasticity is that the efficiency of synaptic transmission can be modulated. It can be increased as in a long-term potentiation (LTP) and decreased as in a long-term depression (LTD). The principle of associative LTD is of special interest in general and for this study: if at first a strong depolarizing stimulus affects the postsynaptic neuron and then only a short time later a weak non-depolarizing stimulus affects the postsynaptic neuron, the transmission efficiency will be decreased. An experimental protocol has been developed for the human motor cortex that, by means of established neurophysiologic methods, causes a modification of the efficiency of synaptic transmission in terms of an LTD-similar phenomenon: an almost synchronous and repetitive coupling of peripheral N. medianus stimulation (corresponds to the non-depolarizing stimulus) and contralateral magnetic stimulation (corresponds to the depolarizing stimulus) leads to a significant reduction in amplitude of the motor-evoked potentials (MEP) of the M. abductor pollicis brevis (APB). For the effectiveness of the paired associative stimulation it is necessary that the depolarizing stimulus affects the synaptic connections of the central APB-representation area only a few milliseconds before the non-depolarizing stimulus. Initially, the purpose of this study was to enhance the robustness and the extent of the generated reduction in excitability in the APB-cortex area by optimizing the stimulation parameter established in the PAS protocol. First of all, the influence of the increase in frequency was analysed and then secondly, the absolute number of applied pair stimuli. By scaling to the individual body length, a synchronization of the interval between both pair stimuli leads to a constant reaction time interval within the synaptic connection of the central APB representation area. Thirdly, it was examined if there is an optimal reaction time interval between both associative stimuli: by scaling to the individual body length, a synchronization of the interval between both pair stimuli leads to a constant reaction time interval within the synaptic connection of the central APB representation area. This allows a systematic examination of the optimal reaction time interval of the associative pair stimuli regardless of the individual body size. The second part of the study was carried out using such an optimized PAS-protocol. During the pre-experiments that have just been described, the modification of the cortico-muscular excitability was determined by means of comparison of the average MEP-amplitudes from the point of the brain pan where the maximum answer on stimulus in the destination muscle could be generated. In order to be able to make a comprehensive statement about the cortico-muscular excitability an established mapping procedure was used that makes it possible to depict the APB-representation area as a two-dimensional map. By means of this mapping-examination, statements concerning the spatial dimension of the modifications of cortico-muscular excitability can be made, which exceed the simple comparison of amplitudes that have been generated at a certain point. In this study, the induction of cortical plasticity was realized as in associative LTD-similar plasticity. From our results, it can be deduced that neither the increase in frequency nor the number of pair stimuli causes an essential increase of the LTD-similar phenomenon. In our opinion this is due to the fact that there is a kind of limit value in the modulating capacity of cortico-muscular excitability. There was a discussion whether it was possible in principle that the mental concentration on the muscles involved in the PAS-protocol might play a more important role for the extent of the induced plasticity than the intensity of the associative induction. By means of a standardization process to the individual body size it emerges that both associative stimuli have to follow immediately within a defined, narrow time for a ‘window of opportunity’. Looking at a subgroup of the mapping-examination in a selective way it came out that the spatial distribution of the excitability is being modified by an optimized PAS-Protocol. These hints coincide with the assumption that active synapses can be deactivated by means of a PAS-protocol, which minimizes the excitability. Regarding all mapping-experiments in a cumulative way, a discussion ensued about the possible reasons for the comparatively bad reproducibility of the plasticity results.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kevin Eskandar
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-36245
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Neurochirurgische Klinik und Poliklinik
Date of final exam:2009/02/16
Language:German
Year of Completion:2008
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Mapping <Medizin>; Motorischer Cortex; Neuronale Plastizität
Tag:LTD; Langzeitdepression; assoziative Paarstimulation
long-term depression; mapping; motor cortex; neuronal plasticity; paired associative stimulation
Release Date:2009/06/30
Advisor:Prof. Dr. med. Joseph Claßen