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Noninvasive Modulation of Cognition in Older Adults – Neural Correlates and Behavioral Outcomes

  • Background: The worldwide population will grow older in the upcoming years. Aging, even in the absence of pathological processes, is associated with decline in cognitive functioning. Age-related cognitive decline is not a uniform process affecting every function in the same way. Research should thus examine specific functions, such as episodic memory or executive functions differentially, especially in older samples. Neural correlates of these functions are well characterized in young adults. However, research on functional and structural neural substrates underlying specific cognitive functions in older adults is scarce, but needed for example to identify targets for noninvasive interventions against cognitive decline. Current advances in this field point towards the effectiveness of combined noninvasive interventions of cognitive training and transcranial direct current stimulation (tDCS). So far, evidence regarding such combined interventions in older adults is inconclusive and neural mechanisms of successful interventions are still unclear. This line of research could advance the development of noninvasive methods to modulate cognitive functions and therefore address the unmet need for treatment options against age-related cognitive decline. Aims: The main aims of the present thesis were (i) to characterize functional and structural neural network correlates of two cognitive functions with high relevance for daily living, namely working memory updating and value-based decision making, (ii) to map out interventions of combined cognitive training and tDCS to modulate these cognitive functions in healthy older adults and adults with prodromal AD and (iii) to assess behavioral and neural outcomes of combined cognitive training (of either executive functions or visuo-spatial memory) and tDCS interventions. Methods: In order to address these aims, the present thesis includes five papers. Paper I assessed functional and structural neural correlates of working memory updating and value-based decision-making performance in healthy older adults using functional magnetic resonance imaging and diffusion tensor imaging. Papers II and III comprise study protocols of a three-week cognitive training of working memory updating and value-based decision-making abilities with concurrent tDCS over the left dorsolateral prefrontal cortex in healthy older adults and adults with prodromal AD. Paper IV used mixed-model analysis to compute behavioral outcomes of this combined intervention in healthy older adults, including outcome measures of the trained tasks, measures of transfer to untrained tasks and assessment of long-term effects at four weeks and half a year after the intervention. In paper V neural alterations after cognitive training of visuo-spatial memory and active stimulation compared to the training and sham (placebo) stimulation were assessed in older adults using measures of functional network centrality and diffusion tensor imaging-derived measures of grey matter microstructure. Results: Analyses revealed distinct functional and structural connectivity correlates of performance on the two cognitive tasks assessing working memory updating and value-based decision-making (paper I). Moreover, results showed a combined contribution of a specific white matter pathway (cingulum bundle) and frontoparietal functional connectivity to working memory updating performance, thereby providing information on possible network targets for modulation of working memory updating and value-based decision-making. The combined modulatory intervention of cognitive training and tDCS (papers II and IV) did not demonstrate group differences between concurrent active tDCS over sham tDCS in the trained tasks. However, analysis of a working memory transfer task revealed a beneficial effect of training and active tDCS over training and sham tDCS at post intervention and follow-up. Findings from paper V showed reduced functional network centrality after visuo-spatial memory training and active tDCS compared to training and sham tDCS in the stimulated brain area and its contralateral homologue. Additionally, after the training, measures of grey matter microstructural plasticity in the stimulated brain area were associated with beneficial training outcomes for the active but not the sham stimulation group. Conclusion: Taken together, cognitive performance, functional and structural networks as well as the possibility of their modulation through combined cognitive training and tDCS interventions were investigated in older adults with and without cognitive impairment. The present thesis therefore contributes to the field of noninvasive neuromodulation in older adults by characterizing distinct neural correlates of two age-sensitive executive functions, which may be altered through modulatory interventions. Moreover, the present work shows that cognitive training with concurrent tDCS holds the potential to elicit transfer effects to untrained tasks and further may evoke neural plasticity on the functional and microstructural level. This work thus promotes the development of modulatory interventions against age-associated cognitive decline and holds promising implications for translation to clinical application.
  • Theoretischer Hintergrund: In den kommenden Jahren wird die Weltbevölkerung immer älter werden. Auch wenn keine Erkrankung vorliegt, geht das Älterwerden mit einer Abnahme der kognitiven Funktionen einher. Dieser Abbau verläuft oft nicht gleichmäßig und betrifft nicht alle kognitiven Funktionen gleichermaßen. Folglich ist es in der Altersforschung besonders wichtig, spezifische kognitive Funktionen wie beispielsweise Gedächtnis- oder Exekutivfunktionen zu untersuchen. Bei jüngeren Erwachsenden sind die zugrundeliegenden neuronalen Korrelate schon gut erforscht. In älteren Stichproben mangelt es allerdings an Untersuchungen zu funktionellen und strukturellen neuronalen Substraten, die spezifischen kognitiven Funktionen zugrunde liegen. Solche Erkenntnisse werden beispielsweise benötigt, um Hirnregionen und -netzwerke zu identifizieren, die als Ansatzpunkte für nicht invasive (also nicht in den Organismus eingreifende) Interventionen dienen können. Die Kombination von kognitivem Training mit nicht invasiver transkranieller Gleichstromstimulation (engl. noninvasive transcranial direct current stimulation, tDCS) ist hierbei ein vielversprechender Ansatz. Allerdings ist die bisherige Ergebnislage zur Wirksamkeit von solch kombinierten Interventionen bei älteren Erwachsenen widersprüchlich und neuronale Mechanismen von einer erfolgreichen Intervention sind wenig untersucht. Weitere Forschung in diesem Bereich könnte also zur Entwicklung von dringend benötigten Behandlungsmöglichkeiten gegen altersassoziierten kognitiven Abbau beitragen. Ziele: Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit waren (i) die Charakterisierung funktioneller und struktureller neuronaler Netzwerkkorrelate von zwei kognitiven Funktionen mit hoher Relevanz für das tägliche Leben, Arbeitsgedächtnisaktualisierung und wertbasiertes Entscheiden, (ii) die Ausarbeitung einer detaillierten Intervention aus kombiniertem kognitivem Training und tDCS zur Modulation dieser kognitiven Funktionen bei gesunden älteren Erwachsenen und Erwachsenen mit Vorstufen der Alzheimer Erkrankung und (iii) die Auswertung der verhaltensbezogenen und neuronalen Auswirkungen von kombiniertem kognitivem Training (von entweder Exekutivfunktionen oder visuo-räumlichem Gedächtnis) und tDCS. Methoden: Zur Untersuchung dieser Ziele umfasst diese Doktorarbeit fünf wissenschaftliche Artikel (engl. Paper). In Paper I wurden funktionelle und strukturelle neuronale Korrelate von Arbeitsgedächtnisaktualisierungsfähigkeiten und wertbasiertem Entscheiden bei gesunden älteren Erwachsenen untersucht. Hierzu wurden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Diffusions- Tensor-Bildgebung erhobene Daten analysiert. Paper II und III beinhalten die Studienprotokolle einer dreiwöchigen Intervention aus kombiniertem kognitivem Training mit gleichzeitiger tDCS über dem linken dorsolateralen Präfrontalkortex. Die Intervention wurde bei gesunden älteren Erwachsenen sowie bei Erwachsenen mit Vorstufen der Alzheimer Erkrankung durchgeführt. In Paper IV wurden die Verhaltenseffekte dieser kombinierten Intervention bei gesunden älteren Erwachsenen ausgewertet. Hierzu wurden die trainierten Aufgaben, Daten zu Transfer zu untrainierten Aufgaben und mögliche Langzeiteffekte vier Wochen und ein halbes Jahr nach der Intervention betrachtet. In Papier V wurden schließlich die neuronalen Veränderungen nach einem kognitiven Training mit aktiver Stimulation im Vergleich zu dem Training mit Scheinstimulation (Placebo) analysiert. Hierbei wurden Maße der funktionellen Netzwerkzentralität und der Mikrostruktur von grauer Substanz betrachtet. Ergebnisse: Die Analysen ergaben spezifische Zusammenhänge der funktionellen und strukturellen neuronalen Konnektivität mit der Leistung in den beiden kognitiven Aufgaben zu Arbeitsgedächtnisaktualisierung und wertbasiertem Entscheiden (Paper I). Darüber hinaus ergab die Auswertung, dass es einen gemeinsamen Einfluss der Beschaffenheit eines bestimmten Fasertraktes (dem Cingulum) und der funktionellen Konnektivität frontoparietaler Regionen auf die Aktualisierungsleistung des Arbeitsgedächtnisses gibt. Daraus lassen sich mögliche Ansatzpunkte für eine spätere nicht invasive Modulation der kognitiven Leistung ableiten. Des Weiteren zeigte die Anwendung von kombiniertem kognitivem Training mit gleichzeitiger tDCS (Paper II und IV) keine Gruppenunterschiede zwischen der aktiven tDCS Bedingung und der Scheinstimulation in den trainierten Aufgaben. Allerdings ergab die Analyse einer Transferaufgabe für das Arbeitsgedächtnis einen positiven Effekt von Training und aktiver tDCS gegenüber Training und Schein-tDCS. In Beitrag V konnte eine reduzierte Netzwerkzentralität nach dem Training mit aktiver tDCS im Vergleich zu Training und Schein-tDCS im stimulierten Hirnareal und demselben Areal auf der kontralateralen Seite gezeigt werden. Darüber hinaus ergab sich nach dem Training ein Zusammenhang von Maßen mikrostruktureller Plastizität in der grauen Substanz im stimulierten Hirnbereich mit positiven Trainingsergebnissen für die aktive tDCS Gruppe, nicht aber für die Scheinstimulationsgruppe. Schlussfolgerung: In dieser Arbeit wurden kognitive Leistung, funktionelle und strukturelle Hirnnetzwerke sowie die Möglichkeit ihrer Modulation durch die Kombination aus kognitivem Training und tDCS untersucht. Somit werden in dieser Arbeit Ansatzpunkte für Forschung zu nicht invasiver Neuromodulation bei älteren Erwachsenen präsentiert. Darüber hinaus zeigte diese Arbeit, dass kognitives Training mit gleichzeitiger tDCS das Potenzial hat, Transfereffekte auf nicht trainierte Aufgaben zu erzielen und neuronale Plastizität auf funktioneller und mikrostruktureller Ebene hervorzurufen. Die vorliegende Arbeit fördert somit die weitere Entwicklung modulierender Interventionen gegen den altersbedingten kognitiven Abbau und präsentiert vielversprechende Möglichkeiten für die künftige Umsetzung in die klinische Anwendung.

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Metadaten
Author: Friederike Thams
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-61670
Title Additional (German):Nicht-invasive Modulation von Kognition bei älteren Erwachsenen – Korrelate auf Hirn- und Verhaltensebene
Referee:Prof. Dr. Rico Fischer, Prof. Dr. Agnes Flöel, Prof. Dr. Michael Nitsche
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2022/04/07
Release Date:2022/05/02
Tag:funktionelle MRT; strukturelle MRT
GND Keyword:Altern, Kognition, Hirnstimulation, Kernspintomografie
Page Number:140
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Psychologie
DDC class:100 Philosophie und Psychologie / 150 Psychologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften