Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Florian Lange

 

 Cognitive Flexibility and its Alterations in Neurodegenerative Diseases

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109269

title (eng.)

Beeinträchtigungen der kognitiven Flexibilität im Rahmen neurodegenerativer Erkrankungen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/langef_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Motorische Symptome im Rahmen von neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Parkinson oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) gehen oftmals mit Einschränkungen im Bereich der exekutiven Funktionen einher. Exekutive Dysfunktionen bei Morbus Parkinson und ALS äußern sich beispielsweise in einer Verminderung der kognitiven Flexibilität, der Fähigkeit zum Aufgaben- und Regelwechsel. Kognitive Flexibilität wird häufig mithilfe des Wisconsin Card Sorting Tests (WCST) erfasst. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass es sich bei dem WCST um ein reines Maß kognitiver Flexibilität handelt, da die Leistung im WCST von einer Vielzahl unterschiedlicher kognitiver Prozesse abhängt.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese kognitiven Prozesse zu dissoziieren und zu ergründen, ob Auffälligkeiten in der WCST-Leistung von Patientinnen und Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen auf kognitive Inflexibilität oder auf Einschränkungen in anderen kognitiven Prozessen zurückzuführen sind. Zu diesem Zweck wurde eine computergestützte Version des WCSTs (cWCST) eingesetzt, welche die Identifikation distinkter Indikatoren unterschiedlicher kognitiver und neuraler Prozesse erlaubte.

In einem ersten Schritt wurde zunächst die Konstruktvalidität dieser Indikatoren in drei Studien an gesunden Probandinnen und Probanden untersucht. Die Analyse behavioraler Daten offenbarte drei unterscheidbare kognitive Prozesse, namentlich das Wechseln, Erschließen und Beibehalten von Regeln, welche sich über unterschiedliche cWCST-Maße abbilden lassen. Diese Verhaltensmaße zeigten sich in unterschiedlichem Ausmaß sensitiv für die Manipulation von cWCST-Parametern und für altersbezogene Veränderungen. Darüber hinaus wurden die ereigniskorrelierten Potenziale (EKP), die von Hinweisreizen im cWCST evoziert werden, untersucht. Es fanden sich Zusammenhänge zwischen zwei EKP-Komponenten und distinkten kognitiven Prozessen. Die frontozentral verteilte P3a-Komponente scheint mit Aufmerksamkeitsprozessen in Verbindung zu stehen, welche für das Erschließen von Regeln im WCST notwendig sind. Hingegen scheint die posteriore Wechselpositivität die neuralen Korrelate des Regelwechsels zu reflektieren.

In einem zweiten Schritt wurde dieses Wissen über behaviorale und elektrophysiologische cWCST-Maße in fünf klinischen Studien angewandt, um zu ergründen, welche Faktoren den WCST-Defiziten von Patientinnen und Patienten mit Morbus Parkinson, ALS und primärer Dystonie zugrunde liegen. Im Gegensatz zu Morbus Parkinson und ALS zählt die primäre Dystonie nicht zu den neurodegenerativen Erkrankungen. Sie geht jedoch mit mikrostrukturellen Veränderungen in den Basalganglien einher. In allen drei Patientengruppen fanden sich Hinweise auf moderate Defizite in der WCST und cWCST-Leistung. Eine detaillierte Analyse der cWCST-Leistung und ihrer elektrophysiologischen Korrelate offenbarte jedoch, dass sich die Art der cWCST-Defizite qualitativ zwischen den Erkrankungen unterscheidet. Verminderte Amplituden der posterioren Wechselpositivität bei ALS deuten auf eine Störung in der Funktion des Regelwechsels und den ihr zugrunde liegenden frontoparietalen Netzwerken hin. Bei primärer Dystonie hingegen legt die Verminderung der P3a-Amplitude nah, dass die auf frontostriatalen Netzwerken beruhende Funktion des Erschließens von Regeln auf dem WCST beeinträchtigt ist. Defizite in der Leistung im cWCST bei Patientinnen und Patienten mit Morbus Parkinson waren besonders ausgeprägt, wenn beide ERP-Amplituden vermindert waren. Diese Befunde legen nah, dass unterschiedliche neurophysiologische Veränderungen zu Beeinträchtigungen in der WCST-Leistung führen können. Diese Beeinträchtigungen scheinen besonders schwerwiegend zu sein, wenn mehrere neurale Systeme von krankheitsassoziierten Veränderungen betroffen sind.

Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, wie eine detaillierte Analyse von Testleistungen und ihren neuralen Korrelaten das Verständnis von exekutiven Dysfunktionen im Allgemeinen und kognitiver Inflexibilität im Besonderen befördern kann. Die Ergebnisse der vorgestellten Studien implizieren, dass der WCST trotz seiner Komplexität für die Erfassung spezifischer kognitiven Funktionen geeignet ist. Tatsächlich kann durch die Zerlegung der komplexen kognitiven und neuralen Prozesse, die der Leistung im WCST zugrunde liegen, die zeitgleiche Erfassung mehrerer exekutiver Prozesse ermöglicht werden. Vor dem Hintergrund der präsentierten Ergebnisse erscheinen EKP-Maße als besonders vielversprechend für die Dissoziation eng miteinander verwobener Prozesse und für die Erkennung subtiler pathologischer Veränderungen in den neuralen Substraten exekutiver Funktionen. Folglich könnte die Erhebung von EKP-Daten zukünftig einen wertvollen Beitrag zur Diagnose exekutiver Dysfunktionen bei Morbus Parkinson, ALS und primärer Dystonie leisten.

abstract (englisch)

Executive dysfunctions occur in a number of neurodegenerative diseases that have traditionally been thought to be restricted to the motor system. For example, patients with Parkinson’s disease (PD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have repeatedly been reported to show deficits in cognitive flexibility (i.e., the ability to shift cognitive sets). A large part of the literature on cognitive inflexibility in neurodegenerative diseases relies on data from the Wisconsin Card Sorting Test (WCST). The WCST is often regarded as the best-established neuropsychological test of cognitive flexibility. However, the WCST is unlikely to be a pure measure of cognitive flexibility as successful performance on the WCST has also been shown to require a wide range of other cognitive processes.

The present work aimed at dissociating the cognitive components of WCST performance to elucidate whether impaired WCST performance in neurodegenerative diseases can rather be attributed to cognitive inflexibility or to deficits in other processes. By combining neuropsychological and electrophysiological methods, it was possible to identify distinct indicators of the cognitive and neural processes underlying individuals’ performance on a computerized version of the WCST (cWCST).

In a first step, the construct validity of these indicators was assessed in three studies involving healthy individuals. Behavioral data analysis suggested that dissociable processes of set shifting, rule inference, and set maintenance are reflected in different cWCST performance measures. These performance measures were differentially affected by age-related changes and the experimental manipulation of cWCST task parameters. In addition, two event-related potential (ERP) deflections elicited by cues on the cWCST were found to be related to distinct cognitive processes. Whereas the frontocentral P3a deflection might serve as an index of attentional orienting for rule inference on the WCST, the posterior switch positivity (PSP) seems to reflect the neural resources allocated to cognitive set shifting.

In a second step, the acquired knowledge about these behavioral and electrophysiological cWCST measures was applied in five clinical studies to examine the origins of WCST performance deficits in three neurological disorders: PD, ALS, and primary dystonia. In contrast to PD and ALS, primary dystonia develops in the absence of gross neurodegenerative changes but has been related to microstructural alterations in the basal ganglia. Throughout the studies and irrespective of the particular disorder, patients showed moderate performance deficits both on the standard and the computerized version of the WCST. Fine-grained analyses of behavioral performance and ERP measures revealed that cWCST deficits are qualitatively different in PD, ALS, and primary dystonia. In ALS, attenuated amplitudes of the PSP seem to indicate dysfunction in the frontoparietal brain networks underlying cognitive set shifting. In contrast, attenuated P3a amplitudes in patients with primary dystonia may reflect disruption in the frontostriatal circuits that give rise to proactive attentional orienting for rule inference. Finally, cWCST performance in patients with PD was observed to be particularly impaired when the amplitudes of both ERP deflections were attenuated. These findings indicate that different neurophysiological changes can result in WCST performance deficits and that these deficits are most pronounced when the neural substrates of multiple cognitive processes are affected.

In sum, the present work illustrates how a fine-grained analysis of behavioral performance and its neural correlates can advance the understanding of executive impairment in general and cognitive inflexibility in particular. One implication is that the complexity of the WCST should not preclude its use for the assessment of specific cognitive functions. In fact, the data presented in this thesis suggest that by decomposing the complex cognitive and neural processes required by the WCST into functionally distinct subprocesses, it may be possible to concurrently measure several different aspects of executive functioning. In light of the present results, ERP measures appear to be promising for the dissociation of closely intertwined processes and for the detection of subtle pathological changes in the neural systems underlying executive processes. ERP recordings may thus be a valuable supplement to the diagnosis of executive dysfunctions in PD, ALS, and primary dystonia.

keywords

Kognitive Flexibilität, ereigniskorrelierte Potenziale (EKPs), neurodegenerative Erkrankungen, cognitive flexibility, event-related potentials (ERPs), neurodegenerative diseases

kb

1.044