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Einführung. In der vorliegenden Studie untersuchten wir durch funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) präfrontale Hirnoxygenierung während Ableistung von Sprachaufgaben. FNIRS weist über Bestimmung von Konzentrationsunterschieden von sauerstoffbeladenes (OxyHb) und sauerstofffreies Hämoglobin (DeoxyHb) regionale Blutflussänderungen nach und lässt somit validen Rückschluss auf Hirnaktivität zu. Bereits in früheren Studien konnte nachgewiesen werden, dass Patienten mit Alkoholkrankheit verminderte präfrontale Hirnaktivität zeigen. Teil 2 der Studie untersucht den im Untersuchungsgebiet liegenden Schläfenmuskel (musculus temporalis) auf Einflüsse auf die Methode fNIRS.
Methoden. Wir verglichen 15 entgiftete Patienten mit Alkoholkrankheit (Patientengruppe, PG) mit passenden 15 gesunden Kontrollprobanden (Kontrollgruppe, KG)bezüglich deren Hirn- und Muskelaktivität während Ableistung Wortflüssigkeitsaufgabe (VFT; engl. Verbal Fluency Task). Bestimmte, insbesondere präfrontale Hirnareale wurden durch phonologische und semantische Testsaufgaben (TA´s), ebenso durch eine Kontrollaufgabe (KA), (Wochentag aufzählen) aktiviert. Durch EMG wurde während Durchführung der Aufgabe die Aktivität des musculus temporalis gemessen. Wir verwendeten zur Datenanalyse sowohl von fNIRS wie auch EMG eine 2x2x2x6 Varianzanalyse (ANOVA) mit Zwischensubjektfaktor „Gruppe“ und Innersubjektfaktoren „Bedingung“, „Seite“ und „Zeit“, gerechnet wurde dies für jeweils Oxy- und DeoxyHb sowie den phonologischen sowie semantischen Teil.
Ergebnisse. Beide Gruppen lieferten eine vergleichbare Menge an Worten, Hirnaktivierung zeigte sich bei beiden Gruppen signifikant höher in den Testaufgaben (phonologisch > semantisch). Die PG zeigte verminderte Hirnaktivierung präfrontal im phonologischen, vergleichbare Hirnaktivität im semantischen Teil. Beide Gruppen zeigten vergleichbare Muskelaktivität, jeweils signifikant höher in den jeweiligen Testaufgaben. Es zeigten sich keine systematischen Assoziationen (Korrelation nach Pearson) zwischen fNIRS und EMG.
Schlussfolgerungen. Insgesamt konnten vorherige Studien mit Nachweis niedrigerer präfrontaler Hirnoxygenierung bei entgifteten Patienten mit Alkoholkrankheit gegenüber gesunden Kontrollen bestätigt werden. Die Mehraktivierung beider Gruppen während phonologischer Aufgabe gründet in dem höheren intelektuellen Anspruch der Aufgabe, dies erklärt auch den Gruppenunterschied in speziell dieser Aufgabe. Durch eine vergleichbare Muskelaktivität der beiden Gruppen sowie fehlende Assoziationen zwischen fNIRS und EMG sehen wir keinen Einfluss von Muskelaktivität auf die Hirnaktivitätsmessung durch fNIRS. Auch eine valide Untersuchung von psychiatrisch kranken Probandengruppen wie Patienten mit Alkoholkrankheit ist hierdurch gut möglich. Die Studie befürwortet den künftigen Einsatz und weitere methodische Untersuchungen zur Messung mit fNIRS, einem validen, artefaktunempfindlichen, handlichen und relativ günstigen Messinstrument.
Bei Kindern mit Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) konnten Defizite in der Leistung des Arbeitsgedächtnisses nachgewiesen werden. In zahlreichen funktionell bildgebenden Studien zeigte sich außerdem ein mit dem Arbeitsgedächtnis assoziierter Unterschied in der präfrontalen Aktivierung im Vergleich zu Gesunden. Bisher wurde jedoch noch nicht näher analysiert, ob diese Defizite von der Komponente (visuell-räumliches (SWM) oder visuell-bildliches Arbeitsgedächtnis (OWM)) oder dem Prozess des Arbeitsgedächtnisses (untergeordnete Speichersysteme oder zentrale Exekutive) abhängig sind. Diese Arbeit ist die erste, die mit der funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) das Arbeitsgedächtnis bei Kindern mit ADHS untersucht. Dabei war das Hauptziel zum einen die Replikation von Gruppenunterschieden in Verhalten und präfrontaler Aktivierung und zum anderen die Gewinnung näherer Informationen über die differentielle Ausprägung der präfrontalen Defizite bei ADHS. Die Stichprobe bestand aus 19 Kindern mit ADHS vom kombinierten Typ (DSM-IV) und 19 Kontrollkindern, die vergleichbar waren nach Alter (8-15 Jahre), Geschlecht, Händigkeit und Intelligenz. Das von uns gewählte Paradigma differenzierte zwischen Aufgaben zum OWM und SWM, innerhalb derer wiederum zwei prozessabhängige Phasen (Speicherung und Abgleich) unterschieden wurden, und enthielt zusätzlich eine Kontrollaufgabe (CON). Die präfrontale Aktivierung wurde mittels fNIRS über die Konzentrationsänderungen der Chromophoren oxygeniertes Hämoglobin (O2Hb) und deoxygeniertes Hämoglobin (HHb) bestimmt. Es zeigte sich ein signifikant unterschiedliches Verhalten abhängig von der Bedingung (CON > SWM > OWM). Eine typische präfrontale Aktivierung des Arbeitsgedächtnisses mit der höchsten Aktivierung im dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) beschränkte sich auf die Abgleichphase. Weder in Hinblick auf das Verhalten noch auf die präfrontale Aktivierung konnten signifikante Gruppenunterschiede nachgewiesen werden. Für das Nichtauftreten von Gruppenunterschieden können verschiedene mögliche Gründe angeführt werden. Unter anderem legten explorative Analysen nahe, dass Kinder mit ADHS und gesunde Kinder unterschiedlichen Reifungsprozessen unterliegen. Auch scheint die chronische Einnahme der ADHS-Standardmedikation einen Einfluss auf die Hirnaktivität zu nehmen. Die Diskussion unserer Ergebnisse stellt zusammen mit der Offenlegung von Kritikpunkten an unserer sowie an vorhergehenden Studien einen wichtigen Ansatzpunkt zur Versuchsoptimierung in zukünftigen Arbeiten dar. Darüber hinaus ist weitere Forschung nötig, um detailliertere Kenntnisse über den Einfluss von Alter, Reifungsprozessen, chronischer MPH-Medikation, ADHS-Subtypen und dem Aufgabendesign zu erlangen.
Many every-day life situations require two or more individuals to execute actions together. Assessing brain activation during naturalistic tasks to uncover relevant processes underlying such real-life joint action situations has remained a methodological challenge. In the present study, we introduce a novel joint action paradigm that enables the assessment of brain activation during real-life joint action tasks using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). We monitored brain activation of participants who coordinated complex actions with a partner sitting opposite them. Participants performed table setting tasks, either alone (solo action) or in cooperation with a partner (joint action), or they observed the partner performing the task (action observation). Comparing joint action and solo action revealed stronger activation (higher [oxy-Hb]-concentration) during joint action in a number of areas. Among these were areas in the inferior parietal lobule (IPL) that additionally showed an overlap of activation during action observation and solo action. Areas with such a close link between action observation and action execution have been associated with action simulation processes. The magnitude of activation in these IPL areas also varied according to joint action type and its respective demand on action simulation. The results validate fNIRS as an imaging technique for exploring the functional correlates of interindividual action coordination in real-life settings and suggest that coordinating actions in real-life situations requires simulating the actions of the partner.
The limbic system and especially the amygdala have been identified as key structures in emotion induction and regulation. Recently research has additionally focused on the influence of prefrontal areas on emotion processing in the limbic system and the amygdala. Results from fMRI studies indicate that the prefrontal cortex (PFC) is involved not only in emotion induction but also in emotion regulation. However, studies using fNIRS only report prefrontal brain activation during emotion induction. So far it lacks the attempt to compare emotion induction and emotion regulation with regard to prefrontal activation measured with fNIRS, to exclude the possibility that the reported prefrontal brain activation in fNIRS studies are mainly caused by automatic emotion regulation processes. Therefore this work tried to distinguish emotion induction from regulation via fNIRS of the prefrontal cortex. 20 healthy women viewed neutral pictures as a baseline condition, fearful pictures as induction condition and reappraised fearful pictures as regulation condition in randomized order. As predicted, the view-fearful condition led to higher arousal ratings than the view-neutral condition with the reappraise-fearful condition in between. For the fNIRS results the induction condition showed an activation of the bilateral PFC compared to the baseline condition (viewing neutral). The regulation condition showed an activation only of the left PFC compared to the baseline condition, although the direct comparison between induction and regulation condition revealed no significant difference in brain activation. Therefore our study underscores the results of previous fNIRS studies showing prefrontal brain activation during emotion induction and rejects the hypothesis that this prefrontal brain activation might only be a result of automatic emotion regulation processes.
Die Auswirkung der ADHS Erkrankung auf die Bearbeitung einer kognitiven „Set Shifting“ Aufgabe
(2021)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Impulsivität bei adulten Patienten mit ADHS. Es wurden 19 adulte Patienten mit ADHS und 20 gesunde Kontrollprobanden, die nach Alter, Geschlecht und Schulabschluss vergleichbar waren, untersucht.
Wir nutzten ein kognitives Set Shifting Paradigma und erfassten die Verhaltensdaten (Reaktionszeit und Fehler) sowie hirnphysiologische Änderungen mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS). Als „Region of Interest“ (ROI) legten wir den dorsolateralen präfrontalen Kortex (dlPFC) fest. Zusätzlich erfolgte eine Selbsterfassung der Impulsivität mittels BIS 11, SPSRQ und UPPS Fragebogen.
Auf der Verhaltensebene zeigten die Patienten mit ADHS im Vergleich zu den gesunden Kontrollprobanden eine verlängerte Reaktionszeit. Die Bearbeitung einer Shift Aufgabe führte bei beiden Probandengruppen zu einer verlängerten Reaktionszeit sowie einer erhöhten Fehlerzahl im Verhältnis zu einer No Shift Aufgabe. In der Erhebung der funktionellen Daten konnten wir einen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen im Bereich der ROI feststellen. Die gesunden Kontrollprobanden wiesen eine erhöhte Hirnaktivität im dlPFC auf. In den Fragebögen zur Selbsterfassung der Impulsivität erreichten die Patienten in den meisten Unterskalen Werte, die mit erhöhter Impulsivität einhergehen.
The limbic system and especially the amygdala have been identified as key structures in emotion induction and regulation. Recently research has additionally focused on the influence of prefrontal areas on emotion processing in the limbic system and the amygdala. Results from fMRI studies indicate that the prefrontal cortex (PFC) is involved not only in emotion induction but also in emotion regulation. However, studies using fNIRS only report prefrontal brain activation during emotion induction. So far it lacks the attempt to compare emotion induction and emotion regulation with regard to prefrontal activation measured with fNIRS, to exclude the possibility that the reported prefrontal brain activation in fNIRS studies are mainly caused by automatic emotion regulation processes. Therefore this work tried to distinguish emotion induction from regulation via fNIRS of the prefrontal cortex. 20 healthy women viewed neutral pictures as a baseline condition, fearful pictures as induction condition and reappraised fearful pictures as regulation condition in randomized order. As predicted, the view-fearful condition led to higher arousal ratings than the view-neutral condition with the reappraise-fearful condition in between. For the fNIRS results the induction condition showed an activation of the bilateral PFC compared to the baseline condition (viewing neutral). The regulation condition showed an activation only of the left PFC compared to the baseline condition, although the direct comparison between induction and regulation condition revealed no significant difference in brain activation. Therefore our study underscores the results of previous fNIRS studies showing prefrontal brain activation during emotion induction and rejects the hypothesis that this prefrontal brain activation might only be a result of automatic emotion regulation processes.
Einfluss des Catechol-O-Methyltransferase Val158Met Polymorphismus auf die Aufmerksamkeitskontrolle
(2010)
Diese Studie untersucht den Einfluss des Catechol-O-Methyltransferase(COMT) Val158Met Polymorphismus auf die Aufmerksamkeitskontrolle und die Funktion des dorso-lateralen präfrontalen Kortex (DLPFC). Der COMT Val158Met Polymorphismus ist ein funktioneller Polymorphismus mit einem hochaktiven Val- und einem weniger aktiven Met-Allel. Blasi und Kollegen (2005) konnten nur im Bereich des Cingulums einen Einfluss des COMT Val158Met Polymorphismus auf die Hirn-Aktivierung beobachten, nicht jedoch im DLPFC. Dies steht im Gegensatz zu mehreren Studien mit Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis, welche einen solchen Einfluss für den DLPFC beschreiben konnten. Blasi und Kollegen (2005) verwendeten in ihrer Untersuchung die von ihnen neu entwickelte VAC-Aufgabe, in welcher den Versuchspersonen Pfeilstrukturen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Aufmerksamkeitskontrolle präsentiert werden.Gegenstand dieser Arbeit war es, unter Anwendung der von Blasi und Kollegen (2005)entwickelten VAC-Aufgabe zur Aufmerksamkeitskontrolle die Auswirkungen der unterschiedlichen Bedingungen des Paradigmas auf das Verhalten (Fragestellung 1) und auf die Aktivierung im Bereich des DLPFC (Fragestellung 2) nachzuvollziehen. Des Weiteren sollten mögliche Einflüsse des COMT Val158Met Polymorphismus auf das Verhalten (Fragestellung 3) und auf die Aktivierung im Bereich des DLPFC (Fragestellung 4) analysiert werden. Die Aktivierung des DLPFC wurde während der Aufgabe zur Aufmerksamkeitskontrolle bei 104 gesunden Probanden mit der funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) gemessen. Mit zunehmender Schwierigkeit der Bedingungen der VACAufgabe wiesen die Versuchspersonen einen geringeren Anteil korrekter Antworten bei einer zunehmenden Reaktionszeit auf. Wir konnten im Bereich des DLPFCs einen deutlichen Aktivierungsanstieg mit zunehmenden Anforderungen an die Aufmerksamkeitskontrolle beobachten. Wir konnten keinen Effekt des COMT Val158Met Polymorphismus auf die Verhaltensdaten feststellen. Wir konnten einen Interaktionseffekt von Bedingung und COMT-Genotyp auf die Aktivierung im Bereich des DLPFC feststellen.
Vorherige Studien beschreiben bei der Aufmerksamkeitslenkung präfrontale Aktivierungen im rechten DLPFC und DMPFC. Diese Studie wollte untersuchen, ob die Aufmerksamkeitslenkung durch Richten des Fokus auf nicht -emotionale Bildinhalte innerhalb eines Stimulus zu präfrontalen Effekten führt. Dazu wurde eine kombinierte Messung aus EEG, fNIRS und emotionalem Arousal erhoben. Die Bedingungen beinhalteten entweder das passive Bildbetrachten oder die Aufmerksamkeitslenkung. Das EEG wurde als Kontrollbedingung erhoben, um zu replizieren, dass die Aufmerksamkeitslenkung auf nicht –emotionale Bildinhalte zu einer Reduktion des LPP und des emotionalen Arousals führt. In dieser Studie konnte sowohl ein reduziertes LPP als ein geringeres emotionales Arousal bei der Aufmerksamkeitslenkung beschrieben werden. In der fNIRS zeigten sich jedoch weder ein signifikanter Emotions- noch ein signifikanter Regulationseffekt, sodass keine Aktivierungen präfrontal bei der Aufmerksamkeitslenkung beschrieben werden konnte. Es sind somit weiterführende Studien zur Aufmerksamkeitslenkung notwendig, ob die Aufmerksamkeitslenkung zu präfrontalen Aktivierungen führt, und ob diese mit der fNIRS abgebildet werden können.
Neural responses to a working memory task in acute depressed and remitted phases in bipolar patients
(2023)
(1) Cognitive impairments such as working memory (WM) deficits are amongst the most common dysfunctions characterizing bipolar disorder (BD) patients, severely contributing to functional impairment. We aimed to investigate WM performance and associated brain activation during the acute phase of BD and to observe changes in the same patients during remission. (2) Frontal brain activation was recorded using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) during n-back task conditions (one-back, two-back and three-back) in BD patients in their acute depressive (n = 32) and remitted (n = 15) phases as well as in healthy controls (n = 30). (3) Comparison of BD patients during their acute phase with controls showed a trend (p = 0.08) towards lower dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) activation. In the remitted phase, BD patients showed lower dlPFC and ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) activation (p = 0.02) compared to controls. No difference in dlPFC and vlPFC activation between BD patients’ phases was found. (4) Our results showed decreased working memory performance in BD patients during the working memory task in the acute phase of disease. Working memory performance improved in the remitted phase of the disease but was still particularly attenuated for the more demanding conditions.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des multimodalen Konzeptes auf den präfrontalen Kortex bei morbiden adipösen Patienten innerhalb des ersten Studienjahres der Würzburger Adipositas Studie. Die Untersuchungsmethoden sind die funktionelle Nahinfrarot Spektroskopie und der Verbal Fluency Test, zusätzlich wurden biologische Parameter und Gesundheitsfragebögen zur Messung des Therapieerfolges erhoben. Es zeigte sich ein positiver Effekt hinsichtlich der Depressivität der Patienten im Beck Depressions Inventar. Für die anderen Therapievariablen ergab sich kein therapeutischer Effekt, die Patienten nahmen nicht an Gewicht ab und die weitere Entwicklung der präfrontalen Oxygenierung muss im folgenden Verlauf der Würzburger Adipositas Studie untersucht werden. In dieser Arbeit können positive Tendenzen für den Therapieerfolg des multimodalen Konzeptes auf den präfrontalen Kortex gezogen werden.