Plasticity is a milestone in neuroscientific investigations into the biological mechanisms of learning. Plasticity is critically reduced in older adults and in individuals with neurovascular disorders that encompass changes in cerebral blood supply. Mechanisms underlying this altered plasticity are important to understand in order to develop future preventive and therapeutic strategies. Pathological and interventional changes in plasticity are thus the focus of the current thesis. In three interrelated studies, this thesis explores the underpinning of cognitive deterioration and the neural changes accompanying cognitive enhancement. The first study tested the associations between cerebral autoregulation (vasomotor reactivity, VMR), magnetic resonance imaging (MRI) measurements of structural and functional connectivity, and cognitive performance in patients with unilateral occlusive processes of the internal cerebral artery (ICA, n=14) and matched controls (n=11). Patients revealed lower VMR in the affected hemisphere (AH), decrease in whole-brain microstructure and in inter- and intra-hemispheric functional connections. Moreover, reduced VMR in the AH correlated with reduced microstructure in frontal areas and connectivity in the default-mode network (DMN). This suggests that disconnections within critical brain networks might mediate the effects of impaired VMR on cognition. The second study tested the short-term changes induced by transcranial direct current stimulation (tDCS) on language performance and the underlying neuronal mechanisms of these behavioral gains. Blood-oxygen level dependent (BOLD) activity and functional networks under real and sham tDCS were measured in 24 young healthy subjects. Here, tDCS over a core language area improved semantic fluency, decreased activity in the stimulated region and facilitated connections within the language network. The results point to a critical link between enhanced network connectivity and increased neural efficiency which might be necessary for improved task performance. The third study investigated long-lasting behavioral gains induced by training in combination with tDCS during language learning. In this study, 40 young healthy subjects acquired a novel vocabulary during 5 consecutive days under real or sham tDCS and were tested in two memory tasks on a daily basis. The results indicate that tDCS facilitated language acquisition and retention of the learned vocabulary. Findings from the three interconnected studies thus lead to the suggestion that tDCS could assist patients with occlusion / stenosis of the ICA, in which loss of cognition might be mediated by structural and functional changes in connectivity. A potential preventive therapy with tDCS could target these regions in frontal and parietal cortices, with the aim to improve cognition in these patients.
Plastizität stellt einen Meilenstein in der neurowissenschaftlichen Erforschung der biologischen Lernmechanismen dar. Plastizität ist bei älteren Menschen, sowie bei neurovaskulären Erkrankungen, welche mit Veränderungen im zerebralen Blutfluss einhergehen, deutlich reduziert. Ein besseres Verständnis der Plastizitätsmechanismen, könnte zukünftig dazu beitragen, neue präventive und therapeutische Maßnahmen zu entwickeln. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf pathologischen und interventionsbedingten Veränderungen der Plastizität. Innerhalb dieser Dissertationsschrift wurden in drei zusammenhängenden Studien die Ursachen kognitiven Abbaus, sowie die mit kognitiven Verbesserungen assoziierten neuronalen Veränderungen untersucht. Die erste Studie analysierte Zusammenhänge zwischen zerebraler Autoregulation (Vasomotor-Reaktivität, VMR), kognitiver Leistungsfähigkeit, sowie Parametern struktureller und funktioneller Konnektivität, die mittels Magnetresonanztomographie (MRT) erhoben wurden, bei Patienten (n=14) mit unilateralen Verschlussprozessen der Arteria carotis interna (ICA) im Vergleich zu einer Kontrollgruppe (n=11). Die Patienten zeigten verminderte VMR in der betroffenen Hemisphäre (bH), verringerte Mikrostruktur im gesamten Gehirn sowie in der inter- und intrahemisphärischen funktionellen Konnektivität. Des Weiteren ging verminderte VMR innerhalb der bH mit verringerter Mikrostruktur in frontalen Arealen sowie verringerter Konnektivität innerhalb des Default-mode-Netzwerks (DMN) einher. Dies lässt vermuten, dass Störungen innerhalb aufgabenrelevanter Gehirnnetzwerke die Effekte einer beeinträchtigten VMR auf die Gedächtnisleistung vermitteln. Die zweite Studie untersuchte mittels transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) induzierte Kurzzeitveränderungen auf die Sprachleistung, sowie deren zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen. Die vom Blutsauerstoffgehalt abhängige Aktivität und funktionale Netzwerke wurden mittels tDCS- und Scheinstimulation bei 24 jungen gesunden Probanden gemessen. Eine Platzierung der tDCS-Elektroden oberhalb der Kernareale des Sprachzentrums führte zu verminderter Aktivität innerhalb der stimulierten Region, zu einer verbesserten semantischen Sprachkompetenz, sowie zu begünstigten Verbindungen innerhalb des Sprachennetzwerks. Die Ergebnisse weisen auf eine entscheidende Verbindung zwischen verstärkter Netzwerkkonnektivität und erhöhter neuronaler Effizienz hin, welche möglicherweise notwendig für verbesserte Gedächtnisleistungen sind. Die dritte Studie untersuchte langfristige Gedächtnissteigerungen, die durch Kombination aus kognitivem Training und tDCS während einer Sprachlernaufgabe induziert wurden. In dieser Studie erlernten 40 junge gesunde Probanden innerhalb eines Zeitraums von fünf aufeinanderfolgenden Tagen einen neuen Wortschatz. Während zweimaligen täglichen Gedächtnisaufgaben wurde bei den Probanden entweder tDCS- oder Scheinstimulation angewendet. Die Ergebnisse legen nahe, dass tDCS eine begünstigende Wirkung auf Spracherwerb und Beibehaltung des erlernten Wortschatzes hat. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse der drei vorliegenden Studien darauf hin, dass tDCS eine unterstützende Wirkung bei Patienten mit Gefäßverschlüssen/Stenosen der ICA haben könnte, deren Gedächtnisverlust über strukturelle und funktionelle Konnektivitätsveränderungen vermittelt sein könnte. Eine potentielle präventive tDCS-Therapie könnte speziell auf Regionen abzielen, die in Zusammenhang mit dem DMN im frontalen und parietalen Kortex stehen, um die kognitive Leistungsfähigkeit betroffener Patienten zu verbessern.
