Verminderte frontale Konnektivität in Aufmerksamkeits ... · Alzheimer’s Disease as a...

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Verminderte frontale Konnektivität in Aufmerksamkeits- netzwerken in Mild Cognitive Impairment- Hinweise auf eine Abnahme der top-down Kontrolle in der Alzheimererkrankung? Susanne Neufang 1 , Atae Akhrif 1 , Claus Zimmer 1 , Christian Sorg 2 , Afra Wohlschläger 1 1 Abteilung für Neuroradiologie und 2 Klinik für Psychiatrie, Klinikum rechts der Isar der TU München Einführung In zahlreichen elektrophysiologischen und bildgebenden Studien wurde für die Alzheimererkrankung (AD) eine Abnahme von zerebraler Konnektivität In zahlreichen elektrophysiologischen und bildgebenden Studien wurde für die Alzheimererkrankung (AD) eine Abnahme von zerebraler Konnektivität beschrieben 1 , vorwiegend zwischen Hirnarealen innerhalb de Default Mode Networks (DMN) und dem Hippokampus 2,3 . Kognitiv wurde letztere mit den ADassoziierten Veränderungen im deklarativen Gedächtnis diskutiert. Doch trotz wachsender Erkenntnis über Aufmerksamkeitsdefizite in schon frühen Stadien der AD 4,5 , wurden Veränderungen in der Konnektivität von aufmerksamkeitsassoziierten Netzwerken selten berichtet 6 . Diese Studie beinhaltet daher die Untersuchung von Konnektivitätsveränderungen in drei verschiedenen Aufmerksamkeitsnetzwerken sowie die Integration hippokampaler Strukturen innerhalb dieser Netzwerke bei Patienten mit leichten gedächtnisbetonten kognitiven Störungen (amnestic mild cognitive impairment, aMCI). Methoden Ergebnisse: Probanden: 24 Patienten mit aMCI im Alter von 58 bis 80 Jahren wurden im Vergleich zu 16 gesunden Probanden (Alter: 6373 Jahre) untersucht. Alle Teilnehmer absolvierten eine 4minütigen Ruhemessung im MRTomographen. MRSequenzen: 1.5T Siemens Symphony, EPI: TE = 50 ms, TR = 3,000 ms, flip angle = 90°, FoV = 200 mm 2 , Matrix 64 x 64, 33 Schichten, Schichtdicke = 4 mm, interslice gap = 0.4mm . T1: TE = 3.93 ms, TR = 1,500 ms, TI = 760 ms, flip angle = 5°, FoV = Die rICA identifizierte drei verschiedene Aufmerksamkeitsnetzwerke, ein frontoparietal betontes dorsales (dAN), ein temporoparietal betontes ventrales Aufmerksamkeitsnetzwerk sowie ein bilateral superior parietales Netzwerk für räumliche 256mm 2 , Matrix = 256 x 256, 160 Schichten, Voxelgröße = 1 x 1 x 1 mm 3 . Funktionelle Konnektivität auf Netzwerkebene: Unter Anwendung der GIFT toolbox wurde eine räumliche Independent Component Analysis (rICA) durchgeführt zur Identifizierung der zerebralen Ruhenetzwerke. Kohärenz (K) als Maß bilateraler Konnektivität: Für die regionofinterest (ROI)basierte Analyse wurden die Regionen der dAN. Innerhalb der Aufmerksamkeitsnetzwerke (Abb.2/3, dunkelblauAufmerksamkeit (sAN), so dass zwischen 21 Regionen inkl. beider Hippokampi KohärenzKoeffizienten ermittelt wurden. Es zeigten sich signifikante Gruppenunterschiede im vAN und of interest (ROI) basierte Analyse wurden die Regionen der maximalen Koaktivierung innerhalb der Aufmerksamkeitsnetzwerke identifiziert. Aus einem Bereich von 6mm um das Maximum wurden die MRZeitreihen extrahiert und auf bilaterale Kohärenzen hin analysiert (Abb. 1/2) . In dieser Studie wurden KKoeffizienten zwischen den Regionen inner dAN. Innerhalb der Aufmerksamkeitsnetzwerke (Abb.2/3, dunkelblau rot) zeigten sich im vAN eine signifikant verringerte fronto–temporale Konnektivität, im dAN eine frontoparietale. Es zeigten sich eine verminderte Koaktivierung des rechten Hippokampus (rH), im vAN zwischen dem rH und den rechten supramarginalen Gyrus (dunkelrot hellblau) im Schlussfolgerungen zwischen den Regionen innerhalb verschiedener Aufmerksamkeitsnetzwerke bestimmt sowie zwischen den Netzwerkregionen und den Hippokampi. In letzterem galt die K als Maß der hippokampalen Integration. Die Kohärenzkoeffizienten wurden auf Gruppenunterschiede hin analysiert und für multiples Testen korrigiert. Gyrus (dunkelrothellblau), im dAN zwischen dem rHC und dem rechten inferioren Temporalgyrus (dunkelrotgelb) sowie dem linken inferioren Parietallappen (dunkelrotgrün). Schlussfolgerungen (1) Hinweise auf eine Abnahme der TopDown Kontrolle verminderte Konnektivität wurde nur in den Netzwerken mit frontaler Beteiligung, zwischen frontalen und netzwerkspezifischen Arealen (vAN: frontotemporal, dAN: frontoparietal) gefunden, das bilateral superior parietale sAN wies keine signifikanten Gruppenunterschiede auf. (2) verminderte Konnektivität zwischen dem Hippokampus und parietalen Arealen Attention to MemoryModel 8 : beschreibt den Beitrag aufmerksamkeitsassoziierter Parietalfunktionen derart, dass der dorsaler Parietalkortex (supramarginaler Gyrus) die Memorierziele im Gedächtnis hält, der ventrale Parietalkortex (z.B. der ipl) hingegen die zu memorierenden Informationen entdeckt. Die Befunde weisen auf eine Schädigung beider Prozesse im Kontext der Alzheimererkrankung hin. Referenzen (1) Delbeuck X, van der Linden M, Colette F, 2003. Alzheimer’s Disease as a Disconnection Syndrome? Neuropsychology Review 13, 7992. (2 )Greicius MD, Srivastava G, Reiss AL, Menon V, 2004. Defaultmode network activity distinguishes Alzheimer’s disease from healthy aging: evidence from functional MRI. Proc Natl Acad Sci USA 101:4637–4642. (3) Wang L, Zang Y, He Y, Liang M, Zhang X, Tian L, et al. 2006. Changes in hippocampal connectivity in the early stages of Alzheimer’s disease: evidence from a resting state fMRI. NeuroImage 31:496–504. (4) Saunders NL, Summers MJ, 2009. Attention and working memory deficits in mild cognitive impairment. J Clin Exp Neuropsychol. 25:18. (5) Bublak P, Redel P, Sorg C, Kurz A, Förstl H, Müller HJ, et al., 2009. Staged decline of visual processing capacity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. ahead of print (6) Sorg C, Riedl V, Mühlau M, Calhoun VD, Eichele T, Laer L, et al., 2007. Selective changes of restingstate networks in individuals at risk for Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci USA 104: 1876018765. (7) Kamiński M, Multichannel data analysis in biomedical research in Jirsa VK, McINtosh AR (eds) Handbook of brain connectivity, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York. (8) Cabeza R,Ciaramelli E, Olson IR, Moscovitch M, 2008. Parietal cortex and episodic memory: an attentional account. Nat ev Neurosci 9, 613625.

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Verminderte frontale Konnektivität in Aufmerksamkeits-netzwerken in Mild Cognitive Impairment-

Hinweise auf eine Abnahme der top-down Kontrolle in der Alzheimererkrankung?p g

Susanne Neufang1, Atae Akhrif1, Claus Zimmer1, Christian Sorg2, Afra Wohlschläger1

1 Abteilung für Neuroradiologie und 2 Klinik für Psychiatrie, Klinikum rechts der Isar der TU München

Einführung

In zahlreichen elektrophysiologischen und bildgebenden Studien wurde für die Alzheimererkrankung (AD) eine Abnahme von zerebraler KonnektivitätIn zahlreichen elektrophysiologischen und bildgebenden Studien wurde für die Alzheimererkrankung (AD) eine Abnahme von zerebraler Konnektivitätbeschrieben1, vorwiegend zwischen Hirnarealen innerhalb de Default Mode Networks (DMN) und dem Hippokampus2,3. Kognitiv wurde letztere mit denAD‐assoziierten Veränderungen im deklarativen Gedächtnis diskutiert. Doch trotz wachsender Erkenntnis über Aufmerksamkeitsdefizite in schon frühenStadien der AD4,5, wurden Veränderungen in der Konnektivität von aufmerksamkeits‐assoziierten Netzwerken selten berichtet6. Diese Studie beinhaltetdaher die Untersuchung von Konnektivitätsveränderungen in drei verschiedenen Aufmerksamkeitsnetzwerken sowie die Integration hippokampalerStrukturen innerhalb dieser Netzwerke bei Patienten mit leichten gedächtnisbetonten kognitiven Störungen (amnestic mild cognitive impairment, aMCI).

Methoden Ergebnisse:

Probanden: 24 Patienten mit aMCI im Alter von 58 bis 80Jahren wurden im Vergleich zu 16 gesunden Probanden (Alter:63‐73 Jahre) untersucht. Alle Teilnehmer absolvierten eine 4‐minütigen Ruhemessung im MR‐Tomographen.MR‐Sequenzen: 1.5T Siemens Symphony, EPI: TE = 50 ms, TR =3,000 ms, flip angle = 90°, FoV = 200 mm2, Matrix 64 x 64, 33Schichten, Schichtdicke = 4 mm, interslice gap = 0.4‐mm . T1: TE= 3.93 ms, TR = 1,500 ms, TI = 760 ms, flip angle = 5°, FoV =

Die rICA identifizierte drei verschiedene Aufmerksamkeitsnetzwerke, 

ein fronto‐parietal beton‐tes dorsales (dAN), eintemporo‐parietal betontesventrales Aufmerksam‐keitsnetzwerk sowie einbilateral superior parietalesNetzwerk für räumlichep g

256mm2, Matrix = 256 x 256, 160 Schichten, Voxelgröße = 1 x 1x 1 mm3.Funktionelle Konnektivität auf Netzwerkebene: UnterAnwendung der GIFT toolbox wurde eine räumlicheIndependent Component Analysis (rICA) durchgeführt zurIdentifizierung der zerebralen Ruhenetzwerke.Kohärenz (K) als Maß bilateraler Konnektivität: Für die region‐of‐interest (ROI)‐basierte Analyse wurden die Regionen der dAN. Innerhalb der Aufmerksamkeitsnetzwerke (Abb.2/3, dunkelblau‐

Aufmerksamkeit (sAN), sodass zwischen 21 Regioneninkl. beider HippokampiKohärenz‐Koeffizienten er‐mittelt wurden. Es zeigtensich signifikante Gruppen‐unterschiede im vAN und

of interest (ROI) basierte Analyse wurden die Regionen dermaximalen Koaktivierung innerhalb der Auf‐merksamkeitsnetzwerke identifiziert. Aus einem Bereich von6mm um das Maximum wurden die MR‐Zeitreihen extrahiert und auf bilaterale Kohärenzen hin analysiert (Abb. 1/2) . In dieser Studie wurden K‐Koeffizienten zwischen den Regionen inner

dAN. Innerhalb der Aufmerksamkeitsnetzwerke (Abb.2/3, dunkelblaurot) zeigten sich im vAN eine signifikant verringerte fronto–temporale 

Konnektivität, im dAN einefronto‐parietale. Es zeigten sicheine verminderte Koaktivierungdes rechten Hippokampus (rH),im vAN zwischen dem rH undden rechten supramarginalenGyrus (dunkelrot hellblau) im

Schlussfolgerungen

zwischen den Regionen inner‐halb verschiedener Aufmerksamkeitsnetzwerke bestimmt sowiezwischen den Netzwerkregionen und den Hippokampi. Inletzterem galt die K als Maß der hippokampalen Integration. DieKohärenzkoeffizienten wurden auf Gruppenunterschiede hinanalysiert und für multiples Testen korrigiert.

Gyrus (dunkelrot‐hellblau), imdAN zwischen dem rHC unddem rechten inferioren Tempo‐ralgyrus (dunkelrot‐gelb) sowiedem linken inferioren Parietal‐lappen (dunkelrot‐grün).

Schlussfolgerungen

(1) Hinweise auf eine Abnahme der Top‐Down Kontrolle verminderte Konnektivität wurde nur in den Netzwerken mit frontaler Beteiligung, zwischen frontalen und netzwerk‐spezifischen Arealen (vAN: fronto‐temporal, dAN: fronto‐parietal) gefunden, das bilateral superior parietale sAN wies keine signifikanten Gruppenunterschiede auf.

(2) verminderte Konnektivität zwischen dem Hippokampus und parietalen ArealenAttention to Memory‐Model 8: beschreibt den Beitrag aufmerksamkeits‐assoziierter Parietalfunktionen derart, dass der dorsaler Parietalkortex (supramarginaler Gyrus) die Memorierziele im Gedächtnis hält, der ventrale Parietalkortex  (z.B. der ipl) hingegen  die zu memorierenden Informationen entdeckt. Die Befunde weisen auf eine Schädigung beider Prozesse im Kontext der Alzheimererkrankung hin.

Referenzen(1) Delbeuck X, van der Linden M, Colette F, 2003. Alzheimer’s Disease as a Disconnection Syndrome? Neuropsychology Review 13, 79‐92. (2 )Greicius MD, Srivastava G, Reiss AL, Menon V, 2004. Default‐mode network activity distinguishes Alzheimer’s disease from healthy aging: evidence from functional MRI. Proc Natl Acad Sci USA 101:4637–4642. (3) Wang L, Zang Y, He Y, Liang M, Zhang X, Tian L, et al. 2006. Changes in hippocampal connectivity in the early stages of Alzheimer’s disease: evidence from a resting state fMRI. NeuroImage31:496–504. (4) Saunders NL, Summers MJ, 2009. Attention and working memory deficits in mild cognitive impairment. J Clin Exp Neuropsychol. 25:1‐8. (5) Bublak P, Redel P, Sorg C, Kurz A, Förstl H, Müller HJ, et al., 2009. Staged decline of visual processing capacity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. ahead of print (6) Sorg C, Riedl V, Mühlau M, Calhoun VD, Eichele T, Laer L, et al., 2007. Selective changes of resting‐state networks in individuals at risk for Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci USA 104: 18760‐18765. (7) Kamiński M, Multichannel data analysis in biomedical research in Jirsa VK, McINtosh AR (eds) Handbook of brain connectivity, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York. (8) Cabeza R,Ciaramelli E, Olson IR, Moscovitch M, 2008. Parietal cortex and episodic memory: an attentional account. Nat ev Neurosci 9, 613‐625.