The relationship of changes in prefrontal-limbic connectivity and distinct depressive symptoms after electroconvulsive therapy

Abstract

Electroconvulsive therapy (ECT) is considered one of the most effective interventions for treatment-resistant depression. Despite an increasing number of treatment studies, the underlying mechanisms of action are not yet sufficiently explained. Through functional magnetic resonance imaging (fMRI), there is the potential to evaluate specific treatment markers or predictive markers. The examination of depression-specific networks by means of fMRI in the resting state and the association with differential symptom improvement could be an innovative approach that may provide new insights into the underlying processes. In this dissertation, we investigated the relationship between changes in resting-state functional connectivity (rsFC) as well as spontaneous brain activity (fALFF) and symptom improvement after ECT in 21 patients with treatment-resistant Major depressive disorder (MDD). The change in rsFC and fALFF before and after ECT was examined, with all analyses directly relating to symptom reduction after the end of treatment. Furthermore, effects of pretreatment rsFC and fALFF on posttreatment symptom improvement were assessed to identify neural targets that might predict individual clinical responses to ECT. Additional correlational analyses were conducted to examine the direct relationship between rsFC changes and symptom dimensions such as sadness, negative thoughts, detachment, and neurovegetative symptoms. An increase in rsFC between the left amygdala and the left dorsolateral prefrontal cortex after ECT was associated with an overall symptom reduction as well as with a reduction in specific symptoms such as sadness, negative thoughts, and detachment, but not neurovegetative symptoms. In addition, high baseline rsFC between the left amygdala and the right frontal pole (FP) predicted treatment outcome. The investigation of the relation-ship between baseline activity and symptom reduction revealed that lower activity in the right FP, supramarginal gyrus, and occipital pole predicted higher symptom reduction. No significant association was found between activity change pre- and post-ECT with symptom improvement. These results suggest that changes in FC in regions of the limbic-prefrontal network are associated with symptom improvement, particularly in affective and cognitive dimensions. Frontal-limbic connectivity has the potential to predict symptom improvement after ECT. Based on the findings in this dissertation, it can be expected that further research combining functional imaging biomarkers with a symptom-based approach will be promising.

Die Elektrokonvulsionstherapie (EKT) gilt als eines der wirksamsten Verfahren zur Be-handlung therapieresistenter Depressionen. Trotz einer zunehmenden Zahl von Behand-lungsstudien sind die zugrunde liegenden Wirkmechanismen jedoch noch nicht ausrei-chend geklärt. Durch funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) besteht die Mög-lichkeit, spezifische Marker für die Wirkmechanismen der EKT sowie für die Prädiktion des Behandlungserfolges zu identifizieren. Die Untersuchung depressionsspezifischer Netzwerke mit fMRT im Ruhezustand insbesondere in Verbindung mit der differentiellen Symptomverbesserung liefert einen innovativen Ansatz, der neue Erkenntnisse über die der EKT zugrunde liegenden Prozesse liefern kann. In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen Veränderungen der funktionellen Konnektivität (rsFC) sowie der spontanen Hirnaktivität (fractional amplitude of low fre-quency fluctuation - fALFF) im Ruhezustand und der Symptomverbesserung nach EKT bei 21 Patienten mit behandlungsresistenter Depression untersucht. Prä-post EKT Veränderungen von rsFC und fALFF in Relation zur Symptomreduktion-wurden untersucht. Weiterhin wurde der Zusammenhang von rsFC und fALFF vor Be-handlungsbeginn mit der Symptomverbesserung nach Behandlung untersucht, um neu-ronale Faktoren zu identifizieren, die ein individuelles klinisches Ansprechen auf EKT vorhersagen könnten. Zusätzliche Korrelationsanalysen wurden durchgeführt, um die di-rekte Beziehung zwischen rsFC-Veränderungen und Symptomdimensionen wie Traurig-keit, negative Gedanken, Abgeschlagenheit und neurovegetativen Symptomen zu unter-suchen. Ein Anstieg der rsFC zwischen der linken Amygdala und dem linken dorsolateralen präf-rontalen Kortex nach EKT war mit einer allgemeinen Symptomreduktion assoziiert sowie mit einer Verringerung spezifischer Symptome wie Traurigkeit, negative Gedanken und Abgeschlagenheit, nicht aber mit neurovegetativen Symptomen. Darüber hinaus gab es einen Zusammenhang zwischen einer hohen rsFC zwischen der linken Amygdala und dem rechten frontalen Pol (FP) vor Behandlungsbeginn und einer stärkeren Symptom-verbesserung. Die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Aktivität vor Behand-lungsbeginn und Symptomreduktion ergab, dass eine geringere Aktivität im rechten FP, supramarginalen Gyrus und okzipitalen Pol eine höhere Symptomreduktion vorhersagte. Es wurde kein signifikanter Zusammenhang zwischen Aktivitätsveränderung vor und nach EKT mit der Symptomverbesserung gefunden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Veränderungen der rsFC in Regionen des lim-bisch-präfrontalen Netzwerks mit Symptomverbesserung, insbesondere in affektiven und kognitiven Dimensionen, verbunden sind. Zudem hat die frontal-limbische Konnektivität das Potenzial, die Verbesserung von Symptomen nach EKT vorherzusagen. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Dissertation ist zu erwarten, dass weitere Forschung, die funktionelle bildgebende Biomarker mit einem symptombasierten Ansatz kombiniert, vielversprechend sein könnte.