Bright, full-field flicker light stimulation (FLS) has long been known to induce colourful and geometric visual hallucinations in humans. However, the underlying neural mechanisms of flicker-induced visual hallucinations (FI-VHs) are still largely unknown. Since human fMRI studies have found that increased thalamocortical connectivity is associated with visual hallucinations in various psychopathologies and following pharmacological intervention (e.g., via serotonergic psychedelics), it poses the open question of whether thalamocortical interactions also contribute to FI-VHs. Moreover, to develop a better understanding of the role of thalamocortical interactions within visual hallucinatory experiences, it is important to consider that the thalamus contains multiple functionally distinct nuclei. Therefore, assessing which thalamic nuclei exhibit changes in connectivity during FI-VHs could help to unravel the corresponding functional contributions of thalamocortical connectivity within visual hallucinations. Furthermore, as FLS elicits fewer physiological confounds than psychopathology and pharmacological intervention, identifying the distinct thalamocortical connectivity changes during FI-VHs could inform the overarching mechanisms of visual hallucinatory experiences. Therefore, this work investigates changes in thalamocortical connectivity with distinct thalamic nuclei during hallucination-inducing FLS. The first study aims to characterise the prevalent pattern types reported during FI-VHs and assesses the stimulation parameters (i.e., flicker frequency and rhythmicity) that affect the subjective intensity of FI-VHs. Thereafter, using resting-state fMRI, flicker frequency- and rhythmicity-dependent changes in thalamocortical connectivity are tested. Here, it is revealed that rhythmic FLS at 10 Hz, i.e. the FLS condition that elicits the most intense FI-VHs, selectively increases connectivity between ventroanterior thalamic nuclei and higher-order visual cortices compared to control conditions. Ventroanterior thalamic nuclei are higher-order nuclei, making it likely that the role of increased thalamocortical connectivity within visual hallucinations relates to a higher-order function of the thalamus, such as modulating the excitability of cortical neurons. This aligns with the functions of thalamocortical interactions proposed by dendritic integration theory. Future work should test whether these findings also apply to visual hallucinations during psychopathology and pharmacological interventions.
Es ist seit langem bekannt, dass helle, flimmernde Lichtstimulation (FLS) beim Menschen farbige und geometrische visuelle Halluzinationen hervorruft. Die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen der flimmerinduzierten visuellen Halluzinationen (FI-VHs) sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Da fMRT-Studien am Menschen ergeben haben, dass eine erhöhte thalamokortikale Konnektivität mit visuellen Halluzinationen bei verschiedenen Psychopathologien und nach pharmakologischen Eingriffen (z. B. durch serotonerge Psychedelika) einhergeht, stellt sich die offene Frage, ob thalamokortikale Interaktionen auch zu FI-VHs beitragen. Um ein besseres Verständnis der Rolle thalamokortikaler Interaktionen bei visuellen Halluzinationen zu entwickeln, ist es außerdem wichtig zu berücksichtigen, dass der Thalamus mehrere funktionell unterschiedliche Kerne enthält. Daher könnte die Untersuchung der Thalamuskerne, die während FI-VHs Veränderungen in der Konnektivität aufweisen, dazu beitragen, die entsprechenden funktionellen Beiträge der thalamokortikalen Konnektivität bei visuellen Halluzinationen zu entschlüsseln. Da FLS weniger physiologische Störungen hervorruft als Psychopathologie und pharmakologische Interventionen, könnte die Identifizierung der ausgeprägten thalamokortikalen Konnektivitätsveränderungen während FI-VHs zudem Aufschluss über die übergreifenden Mechanismen visueller halluzinatorischer Erfahrungen geben. Daher werden in dieser Arbeit Veränderungen in der thalamokortikalen Konnektivität mit verschiedenen Thalamuskernen während Halluzinationen auslösender FLS untersucht. Die erste Studie zielt darauf ab, die vorherrschenden Mustertypen, die während FI-VHs berichtet werden, zu charakterisieren und die Stimulationsparameter (d.h. Flimmerfrequenz und Rhythmik) zu bewerten, die die subjektive Intensität von FI-VHs beeinflussen. Anschließend werden mittels fMRI im Ruhezustand flimmerfrequenz- und rhythmusabhängige Veränderungen der thalamokortikalen Konnektivität untersucht. Hier zeigt sich, dass rhythmisches FLS bei 10 Hz, d.h. die FLS-Bedingung, die die intensivsten FI-VHs hervorruft, selektiv die Konnektivität zwischen ventroanterioren thalamischen Kernen und visuellen Kortizes höherer Ordnung im Vergleich zu Kontrollbedingungen erhöht. Ventroanteriore Thalamuskerne sind Kerne höherer Ordnung, so dass es wahrscheinlich ist, dass die Rolle der erhöhten thalamokortikalen Konnektivität bei visuellen Halluzinationen mit einer Funktion höherer Ordnung des Thalamus zusammenhängt, wie z. B. der Modulation der Erregbarkeit kortikaler Neuronen. Dies stimmt mit den Funktionen thalamokortikaler Interaktionen überein, die von der Theorie der dendritischen Integration vorgeschlagen werden. In künftigen Arbeiten sollte geprüft werden, ob diese Erkenntnisse auch für visuelle Halluzinationen bei Psychopathologie und pharmakologischen Interventionen gelten.
