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Ständig kontrollieren wir das Ergebnis unserer Handlungen. Ist das Ergebnis ein anderes als erwartet, wird dies als Fehler erkannt und es erfolgt dann der Versuch, das Verhalten entsprechend anzupassen. Die zugrunde liegenden elektrophysiologischen Korrelate können mittels Ereignis-korrelierter Potentiale untersucht werden (ERN, „error-related negativity“ und Pe, „error positivity“). Offenkundige und latente Dysfunktionen der Handlungsüberwachung, die unter anderem durch pathologische Veränderungen der kortikalen Exzitabilität bedingt werden, konnten bei Patienten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beobachtet werden. Die Modulation der für die Fehlerverarbeitung relevanten Hirnregionen des medialen präfrontalen Kortex wäre deshalb wünschenswert und soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Eine Möglichkeit zur Modulation zerebraler Erregbarkeit stellt die Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) dar. In unserer Untersuchung haben wir den Effekt von tDCS bei 48 gesunden Teilnehmern getestet, die drei Gruppen randomisiert zugeordnet wurden (anodale, kathodale und SHAM-Stimulation). Während einer 22-minütigen Stimulation mit tDCS über dem medialen frontalen Kortex führten die Probanden eine modifizierte Eriksen Flanker Aufgabe aus. Parallel dazu wurde ein EEG zur Analysierung der ERN und Pe aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass kathodale Stimulation im Vergleich zu anodaler und SHAM Stimulation die Amplitude von Subkomponenten der Pe verringert, während kein Effekt auf die ERN nachgewiesen werden konnte. Bei der Untersuchung der Modulation der Fehlerverarbeitung durch transkranielle Stimulation mit tDCS konnten wir somit Hinweise auf einen kathodal-inhibitorischen Effekt auf die kortikale Exzitabilität bei gesunden Probanden finden, was Perspektiven für eine zukünftige Modulation der zugrunde liegenden neuronalen Netzwerke eröffnet. Trotzdem werden weitere Studien notwendig sein, um zu klären, inwieweit der Effekt auf die späte Pe auch von funktioneller Relevanz ist. Zukünftige Studien werden die (Patho)physiologie zugrunde liegender Fehlerüberwachungssysteme auf Zell- und Systemebene weiter untersuchen müssen, um eine Optimierung der stimulations-induzierten Effekte erreichen zu können und um tDCS als eine mögliche wertvolle Therapieoption für Patienten mit Dysfunktionen der Fehlerverarbeitung etablieren zu können.
Disorder-relevant but task-unrelated stimuli impair cognitive performance in social anxiety disorder (SAD); however, time course and neural correlates of emotional interference are unknown. The present study investigated time course and neural basis of emotional interference in SAD using event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI). Patients with SAD and healthy controls performed an emotional stroop task which allowed examining interference effects on the current and the succeeding trial. Reaction time data showed an emotional interference effect in the current trial, but not the succeeding trial, specifically in SAD. FMRI data showed greater activation in the left amygdala, bilateral insula, medial prefrontal cortex (mPFC), dorsal anterior cingulate cortex (ACC), and left opercular part of the inferior frontal gyrus during emotional interference of the current trial in SAD patients. Furthermore, we found a positive correlation between patients' interference scores and activation in the mPFC, dorsal ACC and left angular/supramarginal gyrus. Taken together, results indicate a network of brain regions comprising amygdala, insula, mPFC, ACC, and areas strongly involved in language processing during the processing of task-unrelated threat in SAD. However, specifically the activation in mPFC, dorsal ACC, and left angular/supramarginal gyrus is associated with the strength of the interference effect, suggesting a cognitive network model of attentional bias in SAD. This probably comprises exceeded allocation of attentional resources to disorder-related information of the presented stimuli and increased self-referential and semantic processing of threat words in SAD.
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.
Despite fine tuning voluntary movement as the most prominently studied function of the cerebellum, early human studies suggested cerebellar involvement emotion regulation. Since, the cerebellum has been associated with various mood and anxiety-related conditions. Research in animals provided evidence for cerebellar contributions to fear memory formation and extinction. Fear and anxiety can broadly be referred to as defensive states triggered by threat and characterized by multimodal adaptations such as behavioral and cardiac responses integrated into an intricately orchestrated defense reaction. This is mediated by an evolutionary conserved, highly interconnected network of defense-related structures with functional connections to the cerebellum. Projections from the deep cerebellar nucleus interpositus to the central amygdala interfere with retention of fear memory. Several studies uncovered tight functional connections between cerebellar deep nuclei and pyramis and the midbrain periaqueductal grey. Specifically, the fastigial nucleus sends direct projections to the ventrolateral PAG to mediate fear-evoked innate and learned freezing behavior. The cerebellum also regulates cardiovascular responses such as blood pressure and heart rate-effects dependent on connections with medullary cardiac regulatory structures. Because of the integrated, multimodal nature of defensive states, their adaptive regulation has to be highly dynamic to enable responding to a moving threatening stimulus. In this, predicting threat occurrence are crucial functions of calculating adequate responses. Based on its role in prediction error generation, its connectivity to limbic regions, and previous results on a role in fear learning, this review presents the cerebellum as a regulator of integrated cardio-behavioral defensive states.
Major depression (MD) and posttraumatic stress disorder (PTSD) share common brain mechanisms and treatment strategies. Nowadays, the dramatically developing COVID-19 situation unavoidably results in stress, psychological trauma, and high incidence of MD and PTSD. Hence, the importance of the development of new treatments for these disorders cannot be overstated. Herbal medicine appears to be an effective and safe treatment with fewer side effects than classic pharmaca and that is affordable in low-income countries. Currently, oxidative stress and neuroinflammation attract increasing attention as important mechanisms of MD and PTSD. We investigated the effects of a standardized herbal cocktail (SHC), an extract of clove, bell pepper, basil, pomegranate, nettle, and other plants, that was designed as an antioxidant treatment in mouse models of MD and PTSD. In the MD model of “emotional” ultrasound stress (US), mice were subjected to ultrasound frequencies of 16–20 kHz, mimicking rodent sounds of anxiety/despair and “neutral” frequencies of 25–45 kHz, for three weeks and concomitantly treated with SHC. US-exposed mice showed elevated concentrations of oxidative stress markers malondialdehyde and protein carbonyl, increased gene and protein expression of pro-inflammatory cytokines interleukin (IL)-1β and IL-6 and other molecular changes in the prefrontal cortex as well as weight loss, helplessness, anxiety-like behavior, and neophobia that were ameliorated by the SHC treatment. In the PTSD model of the modified forced swim test (modFST), in which a 2-day swim is followed by an additional swim on day 5, mice were pretreated with SHC for 16 days. Increases in the floating behavior and oxidative stress markers malondialdehyde and protein carbonyl in the prefrontal cortex of modFST-mice were prevented by the administration of SHC. Chromatography mass spectrometry revealed bioactive constituents of SHC, including D-ribofuranose, beta-D-lactose, malic, glyceric, and citric acids that can modulate oxidative stress, immunity, and gut and microbiome functions and, thus, are likely to be active antistress elements underlying the beneficial effects of SHC. Significant correlations of malondialdehyde concentration in the prefrontal cortex with altered measures of behavioral despair and anxiety-like behavior suggest that the accumulation of oxidative stress markers are a common biological feature of MD and PTSD that can be equally effectively targeted therapeutically with antioxidant therapy, such as the SHC investigated here.
Extinction is an important mechanism to inhibit initially acquired fear responses. There is growing evidence that the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) inhibits the amygdala and therefore plays an important role in the extinction of delay fear conditioning. To our knowledge, there is no evidence on the role of the prefrontal cortex in the extinction of trace conditioning up to now. Thus, we compared brain structures involved in the extinction of human delay and trace fear conditioning in a between-subjects-design in an fMRI study. Participants were passively guided through a virtual environment during learning and extinction of conditioned fear. Two different lights served as conditioned stimuli (CS); as unconditioned stimulus (US) a mildly painful electric stimulus was delivered. In the delay conditioning group (DCG) the US was administered with offset of one light (CS+), whereas in the trace conditioning group (TCG) the US was presented 4s after CS+ offset. Both groups showed insular and striatal activation during early extinction, but differed in their prefrontal activation. The vmPFC was mainly activated in the DCG, whereas the TCG showed activation of the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) during extinction. These results point to different extinction processes in delay and trace conditioning. VmPFC activation during extinction of delay conditioning might reflect the inhibition of the fear response. In contrast, dlPFC activation during extinction of trace conditioning may reflect modulation of working memory processes which are involved in bridging the trace interval and hold information in short term memory.
Background: During early prenatal stages of brain development, serotonin (5-HT)-specific neurons migrate through somal translocation to form the raphe nuclei and subsequently begin to project to their target regions. The rostral cluster of cells, comprising the median and dorsal raphe (DR), innervates anterior regions of the brain, including the prefrontal cortex. Differential analysis of the mouse 5-HT system transcriptome identified enrichment of cell adhesion molecules in 5-HT neurons of the DR. One of these molecules, cadherin-13 (Cdh13) has been shown to play a role in cell migration, axon pathfinding, and synaptogenesis. This study aimed to investigate the contribution of Cdh13 to the development of the murine brain 5-HT system.
Methods: For detection of Cdh13 and components of the 5-HT system at different embryonic developmental stages of the mouse brain, we employed immunofluorescence protocols and imaging techniques, including epifluorescence, confocal and structured illumination microscopy. The consequence of CDH13 loss-of-function mutations on brain 5-HT system development was explored in a mouse model of Cdh13 deficiency.
Results: Our data show that in murine embryonic brain Cdh13 is strongly expressed on 5-HT specific neurons of the DR and in radial glial cells (RGCs), which are critically involved in regulation of neuronal migration. We observed that 5-HT neurons are intertwined with these RGCs, suggesting that these neurons undergo RGC-guided migration. Cdh13 is present at points of intersection between these two cell types. Compared to wildtype controls, Cdh13-deficient mice display increased cell densities in the DR at embryonic stages E13.5, E17.5, and adulthood, and higher serotonergic innervation of the prefrontal cortex at E17.5.
Conclusion: Our findings provide evidence for a role of CDH13 in the development of the serotonergic system in early embryonic stages. Specifically, we indicate that Cdh13 deficiency affects the cell density of the developing DR and the posterior innervation of the prefrontal cortex (PFC), and therefore might be involved in the migration, axonal outgrowth and terminal target finding of DR 5-HT neurons. Dysregulation of CDH13 expression may thus contribute to alterations in this system of neurotransmission, impacting cognitive function, which is frequently impaired in neurodevelopmental disorders including attention-deficit/hyperactivity and autism spectrum disorders.
Patienten mit Depression zeigen typischerweise eine Beeinträchtigung kognitiver Funktionen, vor allem im Bereich der exekutiven Funktionen. Als neuroanatomisches Korrelat konnte den exekutiven Funktionen der präfrontale Kortex zugeordnet werden. In den bisherigen bildgebenden Untersuchungen bei depressiven Patienten konnte vor allem eine Hypofrontalität festgestellt werden. Durch verschiedene neuropsychologische Tests konnten kognitive Defizite vor allem im visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnis gezeigt werden. Als neuroanatomisches Korrelat konnte dem Arbeitsgedächtnis der DLPFC zugeordnet werden. Die bisher durchgeführten kombinierten Untersuchungen bei depressiven Patienten lieferten jedoch keine einheitlichen Ergebnisse. Mittelpunkt unserer Untersuchung war es deshalb mittels NIRS während der Durchführung eines Tests für das visuell-räumliche und das objektbezogene Arbeitsgedächtnis sowohl bei einer Patientengruppe mit unipolarer Depression als auch bei einer gesunden Kontrollgruppe die Aktivierungsmuster des präfrontalen Kortex zu ermitteln. Für den Zusammenhang zwischen der Hirnaktivierung und der Schwere der depressiven Erkrankung konnten keine signifikanten Korrelationen gezeigt werden. Dies spricht gegen den „state“-Charakter und für den „trait“-Charakter der Hypofrontalität bei einer depressiven Erkrankung. Die bezüglich der Verhaltensdaten gerechneten Varianzanalysen zeigten eine deutliche Schwierigkeitsabstufung zwischen den drei Bedingungen (OWM>VWM>KON). Der fehlende Interaktionseffekt Gruppe x Bedingung, also eine höhere Reaktionszeit der Patienten während allen Aufgaben und nicht nur während OWM und VWM deutet auf eine allgemeine Verlangsamung im Sinne einer psychomotorischen Verlangsamung hin und nicht wie erwartet auf ein besonderes Defizit im Bereich kognitiver Funktionen. Interaktionseffekte bei den bildgebenden Daten bei gleichzeitig fehlenden Interaktionsnachweisen bei den Verhaltensdaten deuten an, dass die funktionellen Daten unabhängig von den Verhaltensdaten interpretiert werden können. Ein kognitives Defizit für beide Komponenten des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses bei Patienten mit einer depressiven Erkrankung zeigt sich in unserer Untersuchung also weniger über die Verhaltensdaten als vielmehr über die verminderte Hirnaktivierung während OWM und VWM. Im Gruppenvergleich konnte in den ROI-Analysen für OWM und VWM wie erwartet ein spezieller Arbeitsgedächtniseffekt gezeigt werden, also eine höhere Aktivierung der Kontrollgruppe speziell für die Arbeitsgedächtnisaufgaben. Es wurde also insgesamt in unserer Untersuchung eine präfrontale Hypoaktivierung bei Patienten mit einer depressiven Erkrankung festgestellt.
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.