Differentielle Effekte der tiefen Hirnstimulation von STN und VIM auf kognitive Komponenten der Wortproduktion

Abstract

Einleitung: Die Behandlung von Morbus Parkinson und essentiellem Tremor durch die Tiefenhirnstimulation (THS) im basalganglionären Nucleus subthalamicus (STN) und thalamischen Nucleus ventralis intermedius (VIM) führt zur Verbesserung entsprechender Bewegungsstörungen. Obwohl THS bzgl. kognitiver Nebenwirkungen als relativ sicher gilt, wurden negative Auswirkungen auf Wortflüssigkeit berichtet. Grundlagen dessen sind unklar, da Wortflüssigkeitsleistungen exekutive und lexikalische Prozesse beinhalten, deren Bezüge zu THS-Zielstrukturen unbekannt sind. Daher wurde zur Differenzierung (i) kognitiver THS- Wirkungen und (ii) Funktionen von THS-Zielstrukturen der Einfluss von STN- vs. VIM- Stimulation auf unterschiedliche Aspekte der Wortproduktion bestimmt. Methodik: Zur Analyse der Wortproduktionsleistung (mittels Regensburger Wortflüssigkeitstest) wurde die „temporale Clusteranalyse“ verwendet, die eine formale Differenzierung schneller (Cluster) vs. langsamer (Switches) Wortproduktionsphasen erlaubt. Cluster gelten als Ergebnis automatischer Aktivitätsausbreitung assoziierter lexikalischer Informationen und reflektieren somit sprachbezogene Netzwerkprozesse. Switches gelten als aufmerksamkeitsabhängige Prozesse, die Transitionen zwischen lexikalischen Assoziationsfeldern widerspiegeln. Um zu überprüfen, ob sich bisher nur im semantischen Kontext erprobte temporale Clusteranalysen auch für Untersuchungen mit Standardwortflüssigkeitsaufgaben eignen, haben wir in Studie 1 das Cluster-/Switchverhalten von 42 gesunden Probanden in einer phonematischen VF-Aufgabe analysiert. In den Studien 2/3 wurde das Cluster-/Switchverhalten von 11/13 Patienten mit STN-THS/VIM-THS im aktiven (STIM-ON-) und inaktiven (STIM-OFF) Stimulationszustand untersucht. Die Ergebnisse wurden jeweils mit den Leistungen gesunder Kontrollprobanden verglichen. Ergebnisse: Studie 1 zeigte, dass im Cluster produzierte Wörter in rein phonematischen VF- Aufgaben semantisch und phonematisch stärker verwandt waren als Switch-bezogene Wörter. Höhere phonematische Wortassoziationswerte gingen einher mit vermehrter, höhere semantische Assoziationswerte mit geringerer Wortflüssigkeitsleistung. Bezüglich THS-Wirkungen in verschiedenen subkortikalen Strukturen ergaben sich unterschiedliche Stimulationswirkungen auf das Cluster-/Switchverhalten. Studie 2 zeigte, dass im STN STIM-ON mehr Switches mit geringeren Switchzeiten generiert wurden als im STIM- OFF, während Clusterparameter unbeeinflusst blieben. In Studie 3 wurde ein gegensätzliches Muster identifiziert: im VIM war STIM-ON mit langsameren Clusterzeiten verbunden als STIM- OFF, ohne Effekte auf die Switchparameter zu haben. Verglichen mit Kontrollprobanden generierten beide Patientengruppen unabhängig vom Stimulationszustand geringere VF- Leistungen. Diskussion: Studie 1 zeigt, dass die temporale Clusteranalyse sowohl im semantischen als auch im phonematischen Kontext exekutive und lexikalische Aspekte der VF-Leistung voneinander abgrenzt. Diese Ergebnisse erweitern Annahmen zum „Semantic Default“-Modus lexikalischer Produktion (siehe Hauptteil) und legitimieren die Verwendung von Standardwortflüssigkeitsaufgaben im gegebenen Kontext. Die Patientenstudien deuten darauf hin, dass der STN keine ‚lexikalische Bedeutung‘ hat, jedoch prozedurale Wortproduktionsprozesse unterstützt, passend zur Einbettung in fronto- striatäre Netzwerke mit vermuteten Exekutivfunktionen. VIM-THS scheint mit thalamischen Funktionen automatischer lexikalischer Informationsrekrutierung zu interferieren. Die Ergebnisse werden unter konzeptuellen und klinischen Gesichtspunkten diskutiert.

Introduction: Treatment of Parkinson’s disease and essential tremor via deep brain stimulation (DBS) of the basal ganglia subthalamic nucleus (STN) and the thalamic ventral intermedius nucleus (VIM) improves respective motor deficits. Although DBS is relatively safe regarding cognitive side-effects, negative effects on verbal fluency (VF) have been reported. Reasons for this finding are unclear, since VF-performance includes executive and lexical processes with unknown relation to DBS target structures. For differentiating (i) cognitive DBS-effects and (ii) functions of DBS-structures, we studied effects of STN- vs. VIM-stimulation on different aspects of VF. Method: VF-performance (tested with the standard “Regensburger Wortflüssigkeitstest”) was analysed using the ‘temporal cluster analysis’, allowing a formal distinction between faster (clusters) vs. slower (switches) word production phases. Clusters are regarded as the result of automatic activation of associated word-related information throughout lexical networks, whereas switches rather mirror attention-demanding processes for the transition from a given lexical field to another. To find out whether temporal cluster analysis, which was previously used only in semantic contexts, can be reasonably applied in standard VF-tasks, we investigated cluster and switch performance of 42 healthy subjects in a phonemic VF-task in study 1. In studies 2/3 we analysed the cluster and switch performance of 11/13 patients with STN- DBS/VIM-DBS in the stimulated (STIM-ON) and non-stimulated (STIM-OFF) DBS-condition. Results were compared to those of healthy controls. Results: Study 1 showed that in a phonemic VF-task clustered words had higher semantic and phonemic relations than switch-related words. A stronger phonemic relatedness was associated with increased, a stronger semantic relatedness with decreased VF-performance. Regarding DBS-effects in distinct subcortical structures, different stimulation-effects on cluster and switch performance were found. Study 2 showed that in the STN STIM-ON more switches with slower switch times were generated than in STIM-OFF. Cluster parameters were not affected. Study 3 revealed a contrary pattern: in VIM, STIM-ON was accompanied by slower cluster times compared to STIM-OFF, without affecting switch parameters. Compared to control subjects both patient groups had decreased VF-performances, regardless of their stimulation condition. Discussion: Study 1 indicates that temporal cluster analysis can differentiate executive and lexical aspects of VF-performance in semantic and phonemic contexts. The results extend assumptions about a “semantic default” mode of lexical production (see main text) and legitimize the use of standard VF-tasks in the given framework. The patient studies suggest that the STN has no proper “lexical relevance”; however, it seems to support procedural VF-processes, compatible with its embedding in frontostriatal networks with suggested executive functions. VIM-DBS seems to interfere with thalamic functions of automatic lexical information recruitment. Results are discussed in conceptual and clinical contexts.