Parkinson’s disease (PD) is a frequent neurodegenerative disorder. It mainly affects motor functions and it has a long preclinical phase. Dopaminergic medication is an effective treatment but also comes with adverse effects. Therefore, investigating early biomarkers of PD and effects of dopaminergic medication is crucial for advancing the understanding and treatment of this disease. In my dissertation, two studies are presented that contribute to this field.
In the first study, we studied PD-related neuronal biomarkers, including excessive PAC (phase-amplitude coupling) between the beta phase and amplitude from broadband gamma and abnormal beta burst dynamics in a group of young (N=71, age 20–35 years) and apparently healthy elderly (N=66, age 59–77 years) subjects with electroencephalography (EEG) recordings. In the second study, based on a group of patients with PD (N=15), we investigated the effects of dopaminergic medication on non-oscillatory component of the neural activity (estimated by the spectral slope), the inter-areal functional connectivity and functional network’s configuration properties.
The results from the first study confirmed that the elderly subjects show elevated PAC compared to the younger ones; and this effect is most pronounced in motor-related areas. In addition, the elderly are characterized by prolonged and more often bursting beta activity compared to the young subjects. In the second study, we observed that the spectral slope is steeper after dopaminergic medication intake. Moreover, the medication administration induces an up-regulation of the inter-regional connectivity in the beta band, mainly in fronto-centro-parietal regions. However, there is no evidence showing a significant alteration in the global properties of the functional network. Interestingly, we found that only in the Off medication state there is a close association between the spectral slope and the integrative ability of the brain network. These effects are consistently present in the centro-parietal region.
These findings provide evidence that the electrophysiological biomarkers associated with PD are also present in a group of presumably healthy elderly compared to a young one. This, in turn, indicates that these biomarkers might be promising for the detection of a pre-clinical stage of PD given a close relationship between aging and PD. Future prospective studies should test their unique predictive value in the development of PD. Furthermore, dopaminergic medication induces changes not only locally in the spectral slope but also in the interaction between the areas with a specific spatial interaction pattern. Crucially, the spectral slope (which may index the local excitation/inhibition ratio) appears to be essential in forming the global network’s ability to integrate information from remote areas in PD. This could be relevant for the interventional studies directed at non-invasive modulation of neuronal activity in these areas.
Die Parkinson-Krankheit (PK) ist eine neurodegenerative Störung. Sie betrifft die motorischen Funktionen und hat eine lange präklinische Phase. Dopaminerge Medikamente (DM) sind eine wirksame Behandlung, haben aber auch Nebenwirkungen. Daher ist die Untersuchung früher Biomarker für PK und der Auswirkungen DM von Bedeutung, um das Verständnis und die Behandlung dieser Krankheit voranzutreiben. In meiner Dissertation werden zwei Studien vorgestellt, die einen Beitrag zu diesem Thema leisten. In Studie 1 nutzten wir Elektroenzephalografie (EEG) und untersuchten neuronale PD-bezogene Biomarker, einschließlich erhöhter PAC (Phasen-Amplituden-Kopplung) zwischen der Beta-Phase und der Breitband-Gamma-Amplitude und abnormaler Beta-Burst-Dynamik in jungen (N=71, Alter 20-35 Jahre) und gesunden älteren (N=66, Alter 59–77 Jahre) Probanden. In Studie 2 mit PK-Patienten (N=15) untersuchten wir die Auswirkungen von DM auf die nicht-oszillatorische Komponente der neuronalen Aktivität, die interareale funktionelle Konnektivität und dessen Konfigurationseigenschaften. Die Ergebnisse von Studie 1 bestätigten, dass ältere Probanden eine erhöhte PAC aufweisen; dieser Effekt ist in den motorischen Bereichen am stärksten ausgeprägt. Darüber hinaus weisen ältere Probanden eine verlängerte und häufiger auftretende Bursting-Beta-Aktivität auf. In Studie 2 beobachteten wir, dass die spektrale Steigung nach der DM-Einnahme steiler ist. Außerdem führt DM zu einer Hochregulierung der Konnektivität im Betaband, vor allem in fronto-zentral-parietalen Regionen. Es gibt jedoch keine Hinweise auf eine signifikante Veränderung der globalen Eigenschaften des funktionellen Netzwerks. Interessanterweise haben wir festgestellt, dass nur im Zustand „ohne“ DM ein enger Zusammenhang zwischen der spektralen Steigung und der Integrationsfähigkeit des Netzwerks besteht. Diese Effekte sind durchweg in der zentro-parietalen Region vorzufinden. Diese Ergebnisse belegen, dass die EEG-Biomarker, die mit PK in Verbindung gebracht werden, auch in gesunden, älteren Menschen vorhanden sind. Dies wiederum deutet darauf hin, dass diese Biomarker vielversprechend für die Erkennung eines präklinischen Stadiums der PK sein könnten. Künftige prospektive Studien sollten ihren prädiktiven Wert in der Entwicklung der PK untersuchen. Darüber hinaus induzieren DM Veränderungen nicht nur lokal in der spektralen Steigung, sondern auch in der Interaktion zwischen den Bereichen mit einem bestimmten räumlichen Interaktionsmuster. Entscheidend ist, dass die spektrale Steigung (die möglicherweise das lokale Verhältnis zwischen Erregung und Hemmung anzeigt) für die Fähigkeit des globalen Netzwerks, Informationen aus entfernten Bereichen zu integrieren, bei der PK von Bedeutung ist. Dies könnte für interventionelle Studien relevant sein, die auf eine nicht-invasive Modulation der neuronalen Aktivität in diesen Bereichen abzielen.
