Dissertation

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

 

 Caroline Seer

 

 Neural Correlates of Executive Functions in Neurodegenerative Diseases: Evidence from Event-Related Potentials

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109484

title (ger.)

Neurale Korrelate exekutiver Funktionen bei neurodegenerativen Erkrankungen: Befunde aus Studien ereigniskorrelierter Potenziale

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/seerc_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Neurodegenerative Erkrankungen sind eine heterogene Gruppe neurologischer Störungen, die durch den fortschreitenden Verlust von Neuronen in umschriebenen Bereichen des Zentralnervensystems gekennzeichnet sind. Sowohl bei der Parkinsonkrankheit (PD) als auch bei der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) sind hauptsächlich motorische Systeme betroffen (d.h. das extrapyramidalmotorische System bei PD und das pyramidale System bei ALS). Darüber hinaus gehen beide Erkrankungen mit einer Reihe nicht-motorischer Symptome einher. Kognitive Einschränkungen, insbesondere im Bereich der exekutiven Funktionen, treten bei PD und ALS häufig auf. Als exekutive Funktionen wird eine Gruppe höherer mentaler Kontrollprozesse bezeichnet, die untergeordnete Prozesse kontrollieren und so das Erreichen von Handlungszielen sicherstellen.

Das Vorhandensein exekutiver Dysfunktionen hat Implikationen für die Prognose neurodegenerativer Erkrankungen und für die Lebensqualität der Patientinnen und Patienten sowie ihrer pflegenden Angehörigen. Um eine optimale Unterstützung dieser betroffenen Personen zu gewährleisten, ist es notwendig, die exekutiven Funktionen der Patientin oder des Patienten angemessen zu untersuchen und zu charakterisieren. Die den Erkrankungen inhärenten motorischen Symptome können die Durchführung und Interpretation neuropsychologischer Testverfahren jedoch erheblich einschränken. Die Messung ereigniskorrelierter Potenziale (EKP) bietet eine Möglichkeit, diesen Schwierigkeiten zu begegnen, da EKPs non-invasiv und unter minimalen motorischen Anforderungen für die untersuchte Person von der Kopfoberfläche abgeleitet werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden EKP-Messungen durchgeführt, um neurale Korrelate exekutiver Funktionen bei Patientinnen und Patienten mit PD sowie bei Patientinnen und Patienten mit ALS zu untersuchen. Hierbei lag ein besonderer Fokus auf den neuralen Korrelaten von Konfliktverarbeitung, Konfliktadaptation und Handlungsüberwachung – drei Aspekten exekutiver Funktionen, die erfolgreiches Handeln unter anspruchsvollen Bedingungen erlauben.

In einer Überblicksarbeit (Studie 1) wurden die bisherige Literatur ereigniskorrelierter Potenziale kognitiver Funktionen bei PD zusammengefasst und die Umstände identifiziert, unter denen EKP-Korrelate von Konfliktverarbeitung, Konfliktadaptation und Handlungsüberwachung bei PD verändert sind. Bei PD zeigten sich konsistent verminderte Amplituden der Fehlernegativität (Ne/ERN), einem EKP-Korrelat der Handlungsüberwachung. Ne/ERN-Amplituden wurden mit dopaminerger Neurotransmission in Zusammenhang gebracht. Diese mögliche Dopaminabhängigkeit der Ne/ERN wird oft zur Erklärung der bei PD verminderten Ne/ERN-Amplituden herangezogen, wenngleich direkte Evidenz für diese Hypothese bisher fehlte. In Studie 2 wurde die vermutete Dopaminabhängigkeit der Ne/ERN-Amplituden bei PD untersucht. Mithilfe eines Flankierreizparadigmas wurden zu diesem Zweck EKP-Korrelate der Handlungsüberwachung bei Patientinnen und Patienten mit PD nach Einnahme sowie nach Nicht-Einnahme dopaminerger Medikation untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass dopaminerge Medikation zur Ne/ERN-Amplitudenverminderung bei PD beitragen kann. Ein möglicher Mechanismus könnte die Verursachung überhöhter Dopaminspiegel in solchen Gehirnarealen sein, die nicht primär von PD betroffen, jedoch in die Generierung der Ne/ERN involviert sind.

Zudem wurden EKP-Korrelate von Konfliktverarbeitung, Konfliktadaptation und Handlungsüberwachung bei Patientinnen und Patienten mit ALS und in gesunden Kontrollpersonen untersucht (Studien 3 und 4). EKP-Korrelate von Konfliktverarbeitung und Konfliktadaptation unterschieden sich nicht zwischen diesen Gruppen. Patientinnen und Patienten mit ALS zeigten jedoch vergrößerte posteriore Negativierungen, die möglicherweise auf eine kompensatorische Anhebung der Allokation von Aufmerksamkeitsressourcen für die visuelle Stimulusverarbeitung hindeuten. Ähnlich wie bei PD wurden auch bei ALS verminderte Ne/ERN-Amplituden gefunden, allerdings nur bei denjenigen Patientinnen und Patienten, die vergleichsweise schlechte Ergebnisse in standardisierten neuropsychologischen Tests exekutiver Funktionen erzielt hatten.

In der Zusammenschau zeigen diese Daten unterschiedliche EKP-Modulationen exekutiver Funktionen bei PD und ALS. Diese Befunde tragen dazu bei, das Verständnis exekutiver Dysfunktionen sowie der ihnen zugrundeliegenden neuralen Prozesse bei diesen Erkrankungen zu verbessern. Die hier beschriebene Arbeit illustriert die potenzielle Nützlichkeit von EKP-Messungen bei der Untersuchung exekutiver Dysfunktionen bei neurodegenerativen Erkrankungen der motorischen Systeme.

abstract (englisch)

Neurodegenerative diseases are a heterogeneous group of neurological conditions that share the common hallmark of progressive neuronal loss in circumscribed areas of the central nervous system. Both in Parkinson’s Disease (PD) and in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), neurodegeneration mainly affects motor systems (i.e., the extra-pyramidal system in PD and the pyramidal system in ALS). In addition, both diseases are associated with a range of non-motor symptoms. Cognitive impairments, particularly in the domain of executive functions, are common in PD and in ALS. Executive functions are a set of higher-level mental control processes that control lower-level processes, which ensures that an individual can successfully pursue goals of action in daily life.

Executive dysfunctions have implications for the disease prognosis and for the quality of life in patients and their caregivers. In order to optimally support patients and caregivers, the patient’s executive functions need to be adequately assessed and characterized. However, the disease-inherent motor symptoms can hamper neuropsychological testing and the interpretation of the results. The event-related potential (ERP) technique has been proposed as a tool to overcome these difficulties because ERPs can be non-invasively recorded from the scalp surface with minimal motor requirements for the examinee. In the present work, the ERP technique was used to assess neural correlates of executive functions in patients with PD and in patients with ALS. A particular focus was given to neural correlates of conflict processing, conflict adaptation, and performance monitoring—three aspects of executive functioning that facilitate successful behavior under demanding conditions.

A comprehensive review (Study 1) summarized the existing literature of ERP correlates of cognitive functions and identified the circumstances under which ERP correlates of conflict processing, conflict adaptation, and performance monitoring are altered in PD. Amplitudes of the error(‑related) negativity (Ne/ERN), an ERP correlate of performance monitoring, were found to be consistently attenuated in PD. Ne/ERN amplitudes have been proposed to depend on dopamine levels. This presumed dopamine-dependence of the Ne/ERN has often been used to explain why Ne/ERN amplitudes are diminished in PD, although direct evidence for this hypothesis was lacking. In Study 2, the hypothesized dependence of Ne/ERN amplitudes on dopamine levels in PD was tested. To this end, the well-established flanker task was used to assess ERP correlates of performance monitoring in PD patients on and off dopaminergic medication. The results suggested that dopaminergic medication contributes to the attenuation of Ne/ERN amplitudes in PD, potentially by causing excessive dopamine levels in areas that are not primarily affected by PD, but are involved in the generation of the Ne/ERN.

ERP correlates of conflict processing, conflict adaptation, and performance monitoring were also examined in ALS patients (Studies 3 and 4). ERP correlates of conflict processing and conflict adaptation did not differ between ALS patients and a sample of healthy control participants. However, ALS patients showed enhanced posterior ERP deflections, potentially indicative of a compensatory increase in the allocation of attentional resources to visual stimulus processing. Similar to PD, attenuated Ne/ERN amplitudes were found in ALS, but only in those ALS patients with comparably poor performance on standardized tests of executive functioning.

Taken together, these data revealed different ERP signatures of executive functions in PD and ALS. These findings may enhance the understanding of executive dysfunctions and their neural underpinnings in these diseases. The here described work illustrates the potential usefulness of the ERP technique in the assessment of executive dysfunctions in neurodegenerative diseases affecting motor systems.

keywords

Ereigniskorrelierte Potenziale (EKPs, Morbus Parkisnon (PD), Amyotrope Lateralsklerose (ALS), event-related potentiales (ERPs), Parkinson´s Disease (PD) Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS)

kb

1.257