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Unterschiede in Frontaler Kortex Oxygenierung in zweierlei Risikogruppen der Alzheimer Demenz
(2019)
Die verbesserte medizinische Versorgung führt zu einer zunehmenden Lebenserwartung unserer Gesellschaft. Damit steigt auch die sozioökonomische Relevanz neurodegenerativer Erkrankungen kontinuierlich. Für die Alzheimer Demenz (AD), die dabei die häufigste Ursache darstellt, stehen bisher keine krankheitsmodifizierenden Behandlungsoptionen zur Verfügung. Die lange präklinische Phase der Erkrankung birgt jedoch großes Potential für die Entwicklung neuer Behandlungsoptionen. Das Untersuchen von Risikogruppen ist für die Identifikation von Prädiktoren einer späteren AD Manifestation von besonderem Interesse. In diesem Zusammenhang werden insbesondere das Vorliegen genetischer Risikokonstellationen, wie dem Apolipoprotein E (APOE) Ɛ4-Allel, sowie kognitiver Risikofaktoren, wie der „leichten kognitiven Beeinträchtigung“ (MCI), diskutiert. Die Identifikation präklinischer Aktivierungsunterschiede in relevanten Gehirnregionen von Risikogruppen kann als Basis für die Entwicklung neurofunktioneller Früherkennungs-Marker dienen. Der präfrontale Kortex (PFC), welcher mit der Steuerung von Exekutivfunktionen assoziiert wird, hat sich in diesem Zusammenhang in bisherigen Studien als eine relevante Schlüsselregion manifestiert. Aufgrund der aufwendigen und kostenintensiven bildgebenden Untersuchungsmethoden, sind die genauen Prozesse jedoch noch unklar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, Unterschiede in der PFC Oxygenierung in zweierlei Risikogruppen der AD mit einer kostengünstigeren Bildgebungsmethode, der funktionellen Nahinfrarot Spektroskopie (fNIRS), zu untersuchen. Dafür wurde in einem ersten Schritt, der Trailmaking Test (TMT), ein weitverbreiteter neuropsychologischer Test zur Erfassung exekutiver Funktionen, für fNIRS implementiert. Als Grundlage für die Untersuchung frühpathologischer Prozesse, wurden zunächst gesunde Alterungsprozesse betrachtet. Der Vergleich von jungen und älteren Probanden (n = 20 pro Gruppe) wies neben der Eignung der Testimplementierung für fNIRS auf eine spezifische bilaterale PFC Oxygenierung hin, welche bei jungen Probanden rechtshemisphärisch lateralisiert war. Ältere Probanden hingegen zeigten bei vergleichbaren Verhaltensdaten insgesamt mehr signifikante Kanäle sowie eine Abnahme der Lateralisierung. Dies kann als zusätzlicher Bedarf an Ressourcen in gesunden Alterungsprozessen interpretiert werden.
Im Rahmen der Hauptstudie wurden anschließend insgesamt 604 ältere Probanden im Alter von 70 bis 76 Jahren untersucht. Zunächst wurde die genetische Risikogruppe der Ɛ4-Allel-Träger (n = 78) mit den neutralen Ɛ3-Allel-Trägern (n = 216) und den Trägern des als protektiv geltenden Ɛ2-Allels (n = 50) verglichen. Hierbei zeigte sich eine geringere Oxygenierung der Risikogruppe bei geringer Aufgabenschwierigkeit, während sich ein erhöhter Oxygenierungsanstieg im medialen PFC mit steigender Aufgabenschwierigkeit zeigte. Dies deutet auf einen erhöhten Bedarf an neuronalen Kontrollmechanismen der Risikogruppe zur Bewältigung der steigenden Aufgabenschwierigkeit hin. Die protektive Gruppe zeigte hingegen eine erhöhte Oxygenierung im ventralen PFC mit steigender Aufgabenschwierigkeit, was möglicherweise auf einen präventiven Effekt hindeuten könnte.
Weiterführend wurden MCI-Patienten mit gesunden Probanden (n = 57 pro Gruppe) hinsichtlich des kognitiven Risikofaktors verglichen. Hierbei zeigte sich ein punktuell reduzierter Oxygenierunganstieg der MCI Patienten mit steigender Aufgabenschwierigkeit vor allem im ventralen PFC bei ebenfalls stabiler Verhaltensleistung. Die gefundene Reduktion könnte ein Zeichen für eine aufgebrauchte kognitive Reserve sein, welche Einbußen auf Verhaltensebene voranzugehen scheint.
Diese charakteristischen Unterschiede in den frontalen Oxygenierungsmustern von Risikogruppen (APOE, MCI) könnten als Biomarker zur Früherkennung von AD noch vor dem Auftreten kognitiver Einbußen dienen. Die fNIRS-Untersuchung während der Durchführung des TMT hat sich in diesem Zusammenhang als potentielles Instrument zur Frühdiagnose der präklinischen Phase der AD als geeignet erwiesen. Die Ergebnisse werden unter Einbezug des wissenschaftlichen Kontexts interpretiert und Implikationen für weitere notwendige Studien sowie die klinische Anwendbarkeit diskutiert.
Die Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) stellt ein Verfahren zur nicht-invasiven und schmerzfreien Stimulation des Gehirns dar. Ziel dabei ist es die kortikale Erregbarkeit zu modulieren, indem das Ruhemembranpotenzial der Nervenzellen verschoben wird. Anodale tDCS führt dabei zu einer Depolarisierung des Membranpotenzials und somit zur Zunahme der neuronalen Aktivität. Kathodale tDCS hat durch die Hyperpolarisierung des Membranpotenzials eine Abnahme der neuronalen Aktivität zur Folge. Durch den exzitatorischen Effekt nach anodaler Stimulation und den inhibitorischen Effekt nach kathodaler Stimulation stellt die tDCS eine vielversprechende Option in der Therapie neurologischer oder neuropsychiatrischer Erkrankungen dar.
In vorliegender Studie sollten die Auswirkungen der transkraniellen Gleichstromstimulation über dem linken dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) auf Arbeitsgedächtnisprozesse untersucht werden. Die Effekte der tDCS wurden an 56 gesunden Versuchspersonen getestet, die randomisiert drei Stimulationsgruppen zugeordnet wurden (anodale, kathodale und Sham-Stimulation). Stimuliert wurde mit 2 mA bei einer Elektrodengröße von 35 cm². Stimulationsort war dabei der linke DLPFC, die Referenzelektrode wurde über dem linken Mastoid platziert. Während der Stimulation führten die Versuchspersonen eine modifizierte N-Back-Aufgabe mit drei Bedingungen (0-Back, 1-Back und 2-Back) aus, um die Funktion des Arbeitsgedächtnisses hinsichtlich des Verhaltens erfassen zu können. Die Auswirkungen der tDCS auf die neuronale Aktivität wurden mittels funktioneller Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS) gemessen.
Auf neuronaler Ebene erwarteten wir eine Zunahme der kortikalen Aktivität nach anodaler Stimulation innerhalb des linken DLPFC und gegenteilige Effekte nach kathodaler Stimulation. In vorliegender Untersuchung konnte lediglich eine Tendenz zu dieser Annahme beobachtet werden, eindeutige Signifikanzen blieben jedoch aus. Bei Betrachtung verschiedener Regions of Interest (ROIs) konnten nur signifikante Unterschiede zwischen der anodal und der kathodal stimulierten Gruppe nachgewiesen werden, was dafür spricht, dass die Auswirkungen der tDCS zwar in die intendierte Richtung gehen, die Effekte aber nicht stark genug sind, um auch signifikante Unterschiede zur Kontrollgruppe nachweisen zu können. Somit müssen wir davon ausgehen, dass sich die Neurone des DLPFC nur schwach durch die transkranielle Stimulation beeinflussen lassen.
Desweiteren wurden die Verhaltensdaten während der N-Back-Aufgabe untersucht. Angenommen wurde eine Verbesserung der Arbeitsgedächtnisleistung durch anodale Stimulation und eine Verschlechterung durch kathodale Stimulation. Hier zeigte sich allerdings, dass sich unsere drei Stimulationsgruppen weder in der Anzahl der Fehler, noch in der Anzahl der richtigen Antworten, der Anzahl der verpassten Antworten oder in der mittleren Reaktionszeit signifikant voneinander unterscheiden. Dies lässt darauf schließen, dass die Stimulation des linken DLPFC keinen Einfluss auf das Verhalten während der Durchführung der Arbeitsgedächtnisaufgabe hat und somit auch die Arbeitsgedächtnisleistung nicht beeinflusst wird.
Obwohl die Ergebnisse unserer Studie durch fehlende Signifikanzen nicht hypothesenkonform sind, konnten wir zusammenfassend dennoch eine Tendenz zur anodal-exzitatorischen und kathodal-inhibitorischen Wirkung der tDCS beobachten. Die weitere Erforschung der Auswirkungen der tDCS auf das Arbeitsgedächtnis scheint also sehr vernünftig, vor allem in Anbetracht der möglichen Etablierung der tDCS als Therapieoption neuropsychiatrischer Erkrankungen. Weiterführende Studien sollten die Wirksamkeit der tDCS weiter untersuchen und eine Optimierung der tDCS-induzierten Effekte überprüfen. Ansatzpunkte hierfür wären beispielsweise die Durchführung umfangreicherer Studien mit einem größeren Probandenkollektiv und veränderten Stimulationsparametern oder Studien, die die Auswirkungen der tDCS auf das Arbeitsgedächtnis auch bei psychiatrischen Patienten untersuchen.
Viele Patienten, die an Schizophrenie erkrankt sind, zeigen dauerhafte Einschränkungen in sozial-kommunikativen und sozial-kognitiven Kompetenzen. Dies führt oft zu sozialem Rückzug, erschwert alltägliche zwischenmenschliche Interaktion und mindert die Lebensqualität der Patienten deutlich. Jene Einschränkungen sind bei Patienten mit Negativsymptomatik oder chronischen Zuständen besonders ausgeprägt und könnten einer Minderaktivierung im Spiegelneuronensystem unterliegen. Ziel dieser Studie war es, Korrelate von Defiziten in der sozialen Interaktion bei schizophrenen Patienten mit überwiegender Negativsymptomatik im Gegensatz zu gesunden Kontrollpersonen auf verschiedenen Ebenen darzustellen. Hierfür wurde die Fähigkeit zur sozialen Kognition anhand zweier verschiedener psychologischer Testverfahren erhoben und zudem die Gehirnaktivierung während alltagsähnlicher sozialer Interaktion mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie gemessen.
Es konnte gezeigt werden, dass schizophrene Patienten mit vorherrschender Negativsymptomatik unter größeren Beeinträchtigungen zumindest in Teilaspekten von sozialer Kognition leiden als gesunde Kontrollpersonen. Hierbei steht Negativsymptomatik in Zusammenhang mit einer schlechteren Leistung im „Reading Mind in the Eyes Test“, was als „Undermentalizing“ angesehen werden kann. In Bezug auf die neurophysiologischen Messungen von Gehirnaktivität während alltagsähnlicher sozialer Interaktion konnte in der gesunden Kontrollgruppe eine fronto-temporo-parietale Aktivierung festgestellt werden. Hierbei steht insbesondere die Aktivität im Bereich des linken inferioren Parietallappens in Übereinstimmung mit den Ergebnissen zweier vorangegangener Studien (Egetemeir et al. 2011; Herrmann et al. 2015). In der Gruppe der schizophrenen Patienten dieser Studie jedoch zeigte sich keine während „Joint action“ spezifische Aktivität in temporo-parietalen Gehirnregionen. Ebenso war die Gehirnaktivität in den klassischen Spiegelneuronenarealen bei den Patienten im Vergleich zur Kontrollgruppe vermindert. Stattdessen kam es in der Patientengruppe zu einer erhöhten präfrontalen Gehirnaktivierung. Diese verschiedenartige Aktivierungsstrategie bei „Joint action“ kann als kompensatorische Gehirnaktivität interpretiert werden, die es den Patienten ermöglicht, soziale Interaktion erfolgreich zu bewältigen. Falls etwa die entscheidende Rolle während der Bewältigung der vorliegenden „Joint action“-Aufgabe in der Vermittlung visuell-räumlicher Aufmerksamkeitsprozesse durch den inferioren Parietallappen liegt (Herrmann et al. 2015), ist denkbar, dass diese Fähigkeit durch kompensatorische Vorgänge im präfrontalen Kortex übernommen werden kann. Da die Patienten dieser Studie zumeist seit längerer Zeit oder in chronisch residualem Zustand an Schizophrenie mit Negativsymptomatik litten, liegt es nahe, dass sich die kompensatorischen Strategien im Laufe der Zeit durch das alltägliche Leben ausreichend etablieren konnten. Die verminderte Aktivität in Spiegelneuronenarealen innerhalb der Patientengruppe untermauert das Konzept zur Krankheitsentstehung der Schizophrenie von Mehta und Kollegen, welches besagt, dass Gene und Umweltfaktoren ein möglicherweise angeboren defektes Spiegelneuronensystem beeinflussen, wobei erniedrigte Spiegelneuronenaktivität mit Defiziten in sozial kognitiven Einschränkungen und Negativsymptomatik einhergehe (Mehta et al. 2014a). Diese Zusammenhänge können jedoch im Rahmen dieser Studie lediglich vermutet und nicht objektiviert werden.
Durch die vorliegende Untersuchung konnte festgestellt werden, dass schizophrene Patienten mit Negativsymptomatik andere neuronale Strategien während alltagsähnlicher sozialer Interaktion nutzen als gesunde Personen, was einen weiteren Einblick in die neurobiologischen Grundlagen der Erkrankung erlaubt.