Neurophysiologische Veränderungen bei Patienten mit wiederholten Schädelhirntraumata

Abstract

Schädelhirntraumata (SHT) stellen eine der häufigsten Erkrankungen in der Europäischen Union dar. Vor dem Hintergrund früherer Studien, die Zusammenhänge mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer berichteten, stellt die Erforschung der Konsequenzen von SHT ein wichtiges Anliegen in unserer alternden Gesellschaft dar. Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit war es den Einfluss wiederholter leichter SHT auf neurophysiologische Prozesse in der chronischen Phase (>6 Monate) zu untersuchen. Im Rahmen der ersten Studie haben wir ein Open-Source-Tool zur automatisierten Datendetektion der durch transkranielle Magnetstimulation (TMS)-induzierten kortikalen Innervationsstille (CSP) entwickelt, validierten es an der herkömmlichen manuellen Methode und stellten es kostenlos im Internet zur Verfügung. Das CSP-Protokoll wird zur Untersuchung der Gamma-Aminobuttersäure (GABA)B-Rezeptor-Aktivität z.B. nach leichten SHT genutzt. Da für eine manuelle CSP-Auswertung üblicherweise zwei Rater benötigt werden, um systematische Fehler zu verhindern, war es zudem unser Ziel eine ökologischere und zeitsparende Methode zu entwickeln. cSPider wurde an 91 Datensätzen validiert. Anhand von hohen Reliabilitätskoeffizienten konnte nachgewiesen werden, dass cSPider zuverlässig CSP-Daten verschiedener Patientengruppen zeitsparend detektiert. Im Rahmen der zweiten Studie haben wir den Einfluss wiederholter leichter SHT auf kognitive Funktionen, das Hirnvolumen, die Integrität der weißen Substanz und der funktionalen Konnektivität in einer jüngeren und älteren Kohorte untersucht, um eine mögliche Altersaggravation zu überprüfen. Es wurden nur subtile Effekte offensichtlich. So zeigten jüngere Patienten schlechtere Leistungen in der verbalen Flüssigkeit. Zudem wurden Volumenreduktionen im Precuneus, medialen orbitofrontalen Kortex und eine Interaktion von Alter und Gruppe im rechten Hippocampus ersichtlich. Trotz des multimodalen Assessments konnten keine beträchtlichen Gruppenunterschiede zwischen Patienten nach wiederholten leichten SHT und gesunden Kontrollen aufgezeigt werden. Auch eine erwartete Altersaggravation blieb in den meisten untersuchten Parametern aus. An der dritten Studie nahm nur die jüngere Kohorte teil. Hier sollte der Einfluss wiederholter leichter SHT auf die GABA-Konzentration und GABAB-Rezeptor-Aktivität im linken primären motorischen Kortex (M1) untersucht werden. Zudem testeten wir eine mögliche Intervention mittels anodaler trankranieller Gleichstromstimulation (atDCS) über dem linken M1 und deren Einfluss auf die GABA-Konzentration und GABAB-Rezeptor-Aktivität. Auch hier konnten nur subtile Effekte der SHT nachgewiesen werden. Neben den bereits in Studie 2 aufgezeigten schlechteren Leistungen in der verbalen Flüssigkeit konnten wir eine Assoziation zwischen einer höheren Anzahl der SHT und einer höheren GABA-Konzentration innerhalb der Patientengruppe zeigen. Keine Gruppenunterschiede wurden hingegen in der GABA-Konzentration und GABAB-Rezeptor-Aktivität ersichtlich. Eine Intervention mittels atDCS erbrachte keine Veränderungen in diesen Parametern. Merkmale der Stichprobe oder des Studiendesigns könnten für diese Datenlage (Studie 2 und 3) verantwortlich sein und sollten in zukünftigen Studien berücksichtigt werden.

Traumatic brain injuries (TBI) are one of the most common diseases in the European Union. Recent studies reported associations of TBI and neurodegenerative pathologies such as Alzheimer’s disease, which highlights the importance of investigating the consequences of TBI especially with regard to an aging society. Aim of this thesis was to evaluate the impact of recurrent mild TBI (mTBI) on neurophysiological processes in the chronic phase (>6 months). For the first study we created an open source tool to automatically analyze transcranial magnetic stimulation (TMS)-induced corticomotor silent periods (CSP). The CSP-protocol is used to investigate gamma-aminobutyric-acid (GABA)B receptor activity in M1. As the manual method requires two independent raters for the data detection to avoid systematic errors, aim of this study was to obtain a more time-saving software. cSPider was validated on 91 datasets. High reliability coefficients were established for datasets of different patient cohorts. In the second study we evaluated the impact of recurrent mTBI on cognitive abilities, regional brain volume, white matter integrity and resting state functional connectivity in younger and older participants. Two age cohorts were used to examine a possible aggravation. Only subtle effects were found. Younger participants with mTBI performed worse in verbal fluency tasks. Furthermore, group-specific differences in the regional volume of precuneus and medial orbitofrontal gyrus for both age groups were seen and a significant age by group interaction for the right hippocampal volume was noted. Despite our multimodal approach no extensive group-specific differences between participants with recurrent mTBI and healthy controls were revealed. In the third study only the younger cohort was examined. We investigated the impact of recurrent mTBI on GABA concentration and GABAB receptor activity. Furthermore, we evaluated a promising intervention method with anodal transcranial direct current stimulation (atDCS) and whether atDCS over M1 reduces GABA concentration and GABAB receptor activity. However, only subtle effects of recurrent mTBI in the chronic phase were revealed. As already reported in study 2 participants with recurrent mTBI scored significantly lower on verbal fluency tasks. Higher GABA concentration was associated with a higher number of mTBI, although no group differences in GABA concentration and GABAB receptor activity were obtained. No effects of atDCS on GABA concentration and receptor activity were seen in both patients with mTBI or healthy controls. Specifics of experimental design or characteristics of the respective samples may account for these findings (study 2, 3) and should be addressed in future studies.