Neurophysiological and biochemical markers of multisensory processing in schizophrenia and healthy adults

Abstract

The mind’s ability to create a picture of the world requires the continual processing and integration of huge amounts of different sensory stimuli at every moment. The aim of the present work was to examine the interplay of experiential, neurophysiological, and neurochemical aspects of brain function and to investigate potential differences in the processes between healthy controls (HC) and individuals with schizophrenia (SCZ). In the first study the relationship between multisensory integration in the audiovisual Sound Induced Flash Illusion (SIFI) paradigm, high frequency neural oscillations and the neurotransmitters gamma-aminobutyric acid (GABA) and glutamate were examined. Neurophysiology was assessed by using electroencephalography, and neurotransmitter concentrations were obtained by using proton magnetic resonance spectroscopy. It could be shown that GABA concentration in the superior temporal sulcus (STS) mediates gamma band oscillation power and perception in the SIFI. Furthermore, in the second study the relationship between multisensory processing in the SIFI and event-related potentials (ERPs), as well as beta/gamma band oscillatory activity was assessed. Results did not reveal any behavioral differences in the SIFI illusion rate between SCZ and HC. In the ERPs SCZ compared to HC showed reduced amplitudes and diminished ERP differences between illusion and no-illusion trials. Furthermore, time-frequency representations of oscillatory activity in SCZ revealed a lack of 25-35 Hz oscillatory power enhancement over occipital electrodes. The results suggest that there are multisensory processing alterations in SCZ, however they do not translate on the behavioral level. The third study was focused on the interplay between experiential and neurochemical aspects and examined the relationship between the neurotransmitter glutamate in the STS and occipital cortex and personality traits in SCZ and HC, measured by the NEO-Five Factory Inventory. The results revealed higher neuroticism and lower extraversion scores and higher STS glutamate concentrations in SCZ compared to HC. Furthermore, data suggested an inverse relationship between STS glutamate concentrations and neuroticism scores in SCZ. Glutamate could hereby be a compensatory mechanism for otherwise enhanced neuroticism trait scores. In summary, in HC a three-fold relationship between the three aspects (experiential, neurophysiological, neurochemical) could be found, whereas in SCZ, only parts of the interactions between the different aspects could be confirmed. The results of this work further the understanding of basic principles of multisensory processing and aims to connect the interplay between different aspects that are present in cortical activity in SCZ and HC.

Um einen Eindruck von der Umgebung zu erzeugen, muss der Verstand kontinuierlich jederzeit riesige Mengen unterschiedlicher Sinneseindrücke verarbeiten und integrieren. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, das Zusammenspiel von erfahrungsbezogenen, neurophysiologischen und neurochemischen Aspekten der Gehirnfunktion zu untersuchen und mögliche Unterschiede in den Prozessen zwischen gesunden Menschen (HC) und Patienten mit Schizophrenie (SCZ) zu erforschen. In der ersten Studie wurde der Zusammenhang zwischen multisensorischer Integration im audiovisuellen Sound Induced Flash Illusion (SIFI) Paradigma, hochfrequenten Oszillationen und den Neurotransmittern Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) und Glutamat untersucht. Neurophysiologische Daten wurden mit dem Elektroenzephalogramm erhoben und Neurotransmitterkonzentrationen wurden mit Protonen-Magnetresonanzspektroskopie gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass GABA-Konzentrationen im Superioren temporalen Sulcus (STS) Gammaband-Oszillationen Power und Wahrnehmung in der SIFI mediiert. Des Weiteren wurde in der zweiten Studie der Zusammenhang zwischen multisensorischer Verarbeitung in der SIFI und Ereigniskorrelierten Potentialen (ERPs), sowie Beta-/Gammaband-Oszillationen untersucht. Die Ergebnisse ergaben keine Verhaltensunterschiede in der SIFI-Illusionsrate zwischen SCZ und HC. In den ERPs zeigten sich bei SCZ im Vergleich zu HC verringerte Amplituden und verminderte ERP-Unterschiede zwischen Illusions- und Nicht-Illusionstrials. Außerdem offenbarten die Zeit-Frequenz-Analysen der oszillatorischen Aktivität bei SCZ einen Mangel an 25-35 Hz oszillatorischen Powererhöhungen über occipitalen Elektroden. Die Ergebnisse legen nahe, dass es bei SCZ multisensorische Veränderungen gibt, jedoch zeigen sie sich nicht auf der Verhaltensebene. Die dritte Studie fokussierte sich auf das Zusammenspiel zwischen Verhaltens- und neurochemischen Aspekten und untersuchte den Zusammenhang zwischen dem Neurotransmitter Glutamat im STS und im occipitalen Cortex und Persönlichkeitsmerkmalen bei SCZ und HC, gemessen mit dem NEO-Fünf-Faktoren-Inventar. Die Ergebnisse offenbarten höhere Neurotizismus- und niedrigere Extraversionswerten, sowie höhere STS Glutamatkonzentrationen bei SCZ im Vergleich zu HC. Darüber hinaus wiesen die Daten auf einen umgekehrten Zusammenhang zwischen STS Glutamatkonzentrationen und Neurotizismuswerten bei SCZ hin. Glutamat könnte dabei ein Kompensationsmechanismus für andernfalls erhöhte Neurotizismusmerkmalswerte sein. Zusammengefasst konnte bei HC ein dreifacher Zusammenhang zwischen den drei Aspekten (erfahrungsbezogen, neurophysiologisch, neurochemisch) gefunden werden, während bei SCZ nur Teile der Interaktionen zwischen den verschiedenen Aspekten bestätigt werden konnten. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verstehen der grundlegenden Prinzipien multisensorischer Verarbeitung und zielen darauf ab, das Zusammenspiel zwischen verschiedenen Aspekten, die in der kortikalen Aktivität bei SCZ und HC vorhanden sind, miteinander zu verbinden.