Neurophysiological markers of psychiatric disorders: cerebrovascular reactivity as a state marker of depression and auditory sensory gating as a trait marker of schizophrenia

Abstract

The mechanisms whereby emotions, cognitions, behaviours, or social factors are translated into physical disease; and conversely, how physical disease results in altered emotion, cognition, or behaviour cannot be answered without studying the brain. Until recently, psychiatric research relied predominantly on subjective assessment for diagnosis. Nonetheless, there is much promise for identifying and characterizing behavioural and biological markers intrinsic to complex psychiatric disorders in order to improve diagnostic standards, evaluation of disease outcome, treatment response and prevention. The disordered brain in common, severe and distinct psychiatric disorders, such as depression and schizophrenia, enables investigation of possible pathophysiological correlates. In the course of my work, this has been the overarching focus, albeit from various perspectives. In the first study, the effect of depression on cerebrovascular reactivity (CVR), a prognostic factor for stroke risk, was evaluated in a group of acutely depressed individuals without vascular risk factors. In the second study, CVR was then measured on follow up after remission from depression. CVR was impaired during acute depression but improved after treatment, suggesting that the contribution to an increase stroke risk is a state rather than a trait marker. In the third study, we investigated the effects of schizophrenia and cannabis consumption on auditory P50 sensory gating, an indirect measure of pre-attentive inhibitory function of the central nervous system. The gating of the P50 component has previously shown deficits in schizophrenic patients, but data on co-morbid cannabis consumption are lacking. In otherwise healthy controls, chronic cannabis abuse impacts on sensory cortical circuits even after prolonged abstinence, while a P50 gating deficit was found in schizophrenia irrespective of cannabis consumption. Thus, our data point to differential effects of cannabis consumption in schizophrenic and in otherwise healthy controls. Moreover, our data corroborate the P50 gating as a potential trait marker of schizophrenia. The different approaches used here explore physiologic parameters underlying brain activity in psychiatric disorders in order to find associations with possible co-morbid physiological dysfunctions and environmental factors; inversely, we also investigated how these physiologic dysfunctions may impact on brain activity.

Die Mechanismen, die den Einfluss von Emotion, Kognition, Verhalten und sozialen Faktoren auf physische Erkrankungen vermitteln, und welche, vice versa, den Auswirkungen von physischen Erkrankungen auf Emotion, Kognition und Verhalten zugrunde liegen, können ohne die Erforschung des Gehirns nicht verstanden werden. Bis vor kurzem stützte sich die psychiatrische Forschung vorrangig auf Diagnosen, welche nur anhand subjektiver Kriterien gestellt wurden. Deshalb erscheint die weitere Identifizierung und Charakterisierung von behavioralen und biologischen Merkmalen komplexer psychiatrischer Erkrankungen besonders vielversprechend. Diese hat eine validere diagnostische Kategorienbildung, eine bessere Beurteilung von Krankheitsverläufen und die Optimierung von therapeutischen und präventiven Strategien zum Ziel. In dieser Arbeit sollen anhand von zwei häufigen, komplexen psychiatrischen Erkrankungsbildern, der Depression und der Schizophrenie, mögliche pathophysiologische Zusammenhänge von unterschiedlichen Perspektiven aus, untersucht werden. In den ersten beiden Studien wurde der Zusammenhang zwischen der Ausprägungschwere der Depression und der cerebrovaskulären Reaktivität – ein Prognosefaktor für das Schlaganfallrisiko – in einer Gruppe von Patienten mit einer depressiven Erkrankung ohne weitere vaskuläre Risikofaktoren untersucht. Die cerebrovaskuläre Reaktivität wurde während der akuten Phase (Studie 1) und nach Remission der Depression (Studie 2) untersucht. Die cerebrovaskuläre Reaktivität war während der akuten Krankheitsphase signifikant reduziert (Studie 1). In der Verlaufsuntersuchung nach Remission der Depression zeigte sich hingegen keine erniedrigte cerebrovaskuläre Reaktivität mehr (Studie 2). Daraus läßt sich schließen, daß bei Patienten mit einer depressiven Erkrankung keine generell erniedrigte cerebrovaskuläre Reaktivität - im Sinne eines sogenannten "trait"-Merkmals - besteht, sondern, daß die cerebrovaskuläre Reaktivität und das damit verbundene Schlaganfallrisko von der Ausprägungsschwere der Erkrankung abhängt, die cerebrovaskuläre Reaktivität also eher ein "state"-Merkmal der Depression darstellt. In der dritten Studie untersuchten wir den Zusammenhang zwischen chronischem Cannabiskonsum, schizophrener Erkrankung und "sensory gating" der P50-Komponente, einem indirekten elektrophysiologischen Indikator für die aufmerksamkeitsunabhängige Filterfunktion des zentralen Nervensystems. Bisherige Untersuchungen konnten zeigen, daß Schizophrenie-Patienten ein vermindertes "sensory gating" der P50-Komponente aufweisen. Es gibt diesbezüglich jedoch keine Daten für Schizophrenie-Patienten mit komorbidem Cannabiskonsum. In unserer Studie fanden wir einen Verminderung des “P50 sensory gating" in langzeitabstinenten Cannabiskonsumenten ohne komorbide Schizophrenie. Die Veränderungen des “P50 sensory gating” bei Schizophrenie- Patienten hingegen zeigten sich unabhängig vom Cannabiskonsum. Diese Untersuchung zeigt somit einen differentiellen Effekt von Cannabiskonsum bei Schizophrenie-Patienten und ansonsten Gesunden an. Das P50 "sensory gating" scheint also eher ein "trait"-Marker der Schizophrenie zu sein. In unseren Arbeiten untersuchten wir mit unterschiedlichen Methoden physiologische Parameter, welche der veränderten Gehirnfunktion bei psychiatrischen Erkrankungen zugrunde liegen können. Ziel war es, mögliche Assoziationen mit komorbiden pathophysiologischen Dysfunktionen und Umweltfaktoren zu finden. Wir untersuchten auch, inwieweit diese Dysfunktionen, einen Einfluß auf die Hirnaktivität haben können.