Untersuchung neuronaler Inhibition bei der kortikalen Verarbeitung somatosensorischer Stimulationen mittels EEG und fMRT

Abstract

Experimentelle Untersuchungen mit invasiven Techniken haben gezeigt, dass die kortikale Verarbeitung sensorischer Reize durch eine Interaktion von exzitatorischen und inhibitorischen Prozessen gekennzeichnet ist. Die am Menschen eingesetzten nicht-invasiven Neuroimaging Techniken messen jedoch immer ein Mischsignal aus diesen beiden simultan ablaufenden Prozessen, deren Entflechtung nicht möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Stimulation verwendet, von der schon gezeigt wurde, bevorzugt inhibitorische Interneurone im primären somatosensorischen Kortex (SI) anzuregen: nicht- spürbare (subliminale) somatosensorische Stimulation. Diese erlaubt eine gezielte nicht-invasive Untersuchung von vornehmlich inhibitorischen Prozessen. Dazu wurden zwei Probandenstudien durchgeführt, in denen der Einfluss subliminaler Stimulation auf (i) evozierte und induzierte Aktivität im EEG und (ii) fMRT-basierte funktionelle Konnektivität untersucht wurde. Im EEG zeigt sich ein subliminal evoziertes Potential bei 60ms, jedoch keine späteren evozierten Potentiale. Ferner führt subliminale Stimulation – im Gegensatz zu dem bekannten Phänomen der Desynchronisation nach spürbaren (supraliminalen) Stimuli – zu einer transienten Verstärkung (Synchronisation) des somatosensorischen Hintergrundrhythmus' im alpha-Frequenzband. Damit konnten zum ersten Mal nicht-invasive elektrophysiologische Korrelate von verstärkter inhibitorischer Aktivität beschrieben werden. Dasselbe (subliminale) Stimulationsparadigma während fMRT führt zu einer reduzierten Zentralität („Eigenvector Centrality“) des kontralateralen SI, welche sich hauptsächlich durch eine reduzierte funktionelle Konnektivität zu einem fronto-parietalen Netzwerk auszeichnet. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal eine Modulation der funktionellen Konnektivität durch nicht wahrgenommene sensorische Reize. Wir schlussfolgern daraus, dass die exzitatorische vorwärts gerichtete („bottom-up“) Reizweiterleitung bei subliminaler Stimulation durch eine Dominanz inhibitorischer Aktivität in SI blockiert und somit eine bewusste Wahrnehmung verhindert wird. Die Erhöhte alpha-Aktivität sowie die reduzierte Konnektivität zwischen SI und fronto-parietalen Arealen können als Korrelate eines „Gating“-Mechanismus‘ interpretiert werden, welcher den Zugang zu bewusster Wahrnehmung reguliert.

Invasive measurements have shown that cortical stimulus processing is reflected by the interplay of excitatory and inhibitory neuronal activity. A main challenge of non-invasive neuroimaging is to disentangle these simultaneously occurring processes. By employing imperceptible (subliminal) electrical finger nerve stimulation in humans – a paradigm previously shown to preferentially activate inhibitory interneurons in primary somatosensory cortex (SI) – we selectively investigate localized inhibitory cortical activity by means of non-invasive EEG and fMRI. Two sets of experiments were performed to investigate the effect of subliminal stimulation on (i) evoked and induced activity in the EEG as well as (ii) fMRI based functional connectivity. Using EEG, we find a cortical evoked potential (P1) at 60ms, but no further somatosensory evoked potential (SEP) components. Furthermore, in contrast to the well-studied effect of event-related desynchronization following perceivable (supraliminal) stimulation, subliminal stimulation transiently increase the somatosensory background rhythm in the alpha- frequency range. Using the same (subliminal) stimulation paradigm during fMRI, a reduced centrality of contralateral SI was found, which appeared to be mainly driven by reduced functional connectivity to fronto-parietal areas. We conclude that after subliminal stimulation the (excitatory) feedforward sweep of bottom-up processing terminates in SI due to a predominance of inhibitory processing, thus preventing access to conscious experience. The increase in alpha activity and the disconnection of SI from fronto-parietal areas are likely correlates of a gating mechanism that serves as the access to conscious experience.