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Ziel: In dieser Studie wurde der Zusammenhang zwischen der Ober- und Unterkieferzahnbogenausdehnung in transversalen und longitudinalen Dimensionen und der fazialen Morphologie untersucht. Die differenzierte Merkmalsausprägung von Gesicht und Zahnbogen zwischen den männlichen und weiblichen Probanden fand ebenfalls Beachtung. Es wurden folgende fünf Hypothesen untersucht: (1): Es besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Oberkieferzahnbogenbreite und der Jochbogenbreite sowie der kranialen Breite. (2): Es besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Zahnbogenbreite im Unterkiefer und dem Interkondylarabstand. (3): Die Größe des Overjets wird durch die Zunahme der Zahnbogenbreite im Oberkiefer und/ oder durch die Abnahme der Zahnbogenbreite im Unterkiefer beeinflusst. (4): Die Ausprägung der Gesichtshöhe steht in einer positiven Relation zum Overbite. (5): Bei Männern sind die Dimensionen in der fazialen Morphologie sowie in der Ausdehnung der Zahnbögen stärker ausgeprägt als bei Frauen. Methode: Zur Untersuchung wurden von 70 Männern und 91 Frauen (Alter: 20-55Jahre) im Rahmen der Study of Health in Pomerania Ganzkörpermagnetresonanztomografieaufnahmen und Dentalmodelle von Ober- und Unterkiefer angefertigt und vermessen. Für die ersten 4 Hypothesen wurde mit linearen Regressionsmodellen gerechnet, die für Alter und Geschlecht adjustiert wurden. Die Hypothese 5 ließ sich mit der Berechnung der Mittelwerte und den zugehörigen Standardabweichungen anhand von Zweistichproben-t-Tests untersuchen. Ergebnisse: (1): Es wurde ein signifikanter positiver Zusammenhang zwischen der Jochbogenbreite sowie der kranialen Breite und allen gemessenen Distanzen der Zahnbogenbreite im Oberkiefer ersichtlich. Trend: Je weiter posterior die betrachtete Distanz liegt, desto mehr scheint sie von der Jochbogenbreite und der kranialen Weite beeinflusst zu werden. (2): Zwischen dem Interkondylarabstand und der Unterkieferzahnbogenbreite wurde mit wenigen Ausnahmen keine signifikante Relation deutlich. (3): Eine Verringerung der sagittalen Frontzahnstufe ging mit einer Zunahme der vorderen Oberkieferzahnbogenbreite einher. (4): Die Ausprägung der Overbites wurde von der unteren und totalen Gesichtshöhe signifikant negativ beeinflusst. (5): Alle Distanzen zur Beschreibung der Zahnbogen- und Gesichtsdimensionen prägten sich bei den männlichen Probanden signifikant größer aus als bei den Frauen (Ausnahmen: Zahnbogenlängen des Unterkiefers, Overbite, Overjet). Schlussfolgerung: Die Ergebnisse dieser Studie lassen auf einen möglichen gegenseitigen Einfluss von Zahnbogendimensionen und der Gesichtsmorphologie schließen. Besonders im Bereich der Kieferorthopädie und der ästhetischen Chirurgie kann das Wissen um solcher Zusammenhänge helfen die Notwendigkeit einer Behandlung einzustufen, den richtigen Zeitpunkt des Behandlungsbeginns sowie die Dauer der Behandlung zu bestimmen und mögliche Erfolge bereits vor Behandlungsbeginn abzuschätzen.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Topographie der Harder-Drüse anhand von 20 adulten Köpfen von Tupaia belangeri bezüglich eines eventuellen Geschlechtsdimorphismus untersucht. Dazu wurden von allen Tupaiaköpfen MRT-Schichtaufnahmen in einem 7 Tesla ClinScan Kernspintomograph angefertigt. Mit Hilfe der Software WinSurf® 4.0 konnten die Volumina der Harder-Drüsen und der Bulbi oculi berechnet sowie 3D-Rekonstruktionen angefertigt werden. Darüber hinaus wurden verschiedene Orbita- und Schädelmaße ermittelt. Mit Hilfe von Korrelationsanalysen wurden potenzielle Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Größen und der Größe der Harder-Drüse sowie des Bulbus oculi untersucht. Die Harder-Drüse von Tupaia belangeri befindet sich medial und posterior des Bulbus oculi und ist im retrobulbären Gewebe der Orbita eingebettet. Zudem wird sie von Fettgewebe oder einem orbitalen Sinus venosus umgeben. Die konvexe Seite der Harder-Drüse liegt der medialen Orbitawand an und die konkave Seite bedeckt den Bulbus oculi. Die Harder-Drüse verjüngt sich von ventral nach dorsal und erinnert in der dorsalen Ansicht an eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche. Die Harder-Drüsen der männlichen Tupaia belangeri sind doppelt so groß wie die der weiblichen Tiere. Die Harder-Drüse der männlichen Tiere dehnt sich hinter dem Bulbus oculi bis zum N. opticus aus. Bei den weiblichen Tieren zeigt sich dagegen keine Beziehung zum N. opticus. Der M. rectus ventralis, einer der äußeren Augenmuskeln, hinterlässt an der Unterseite der Harder-Drüse von Tupaia belangeri eine Impression. Bei weiblichen Tieren ist diese Impression weniger stark ausgeprägt. Unterhalb des M. rectus ventralis nimmt die Harder-Drüse fast vollständig den hinteren Teil der Orbita ein und hat hier ihre größte Ausdehnung. Die Korrelationsanalyse ergab statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen dem Volumen der Harder-Drüse und einigen Längenmaßen der Orbita sowie mit der Jochbogenbreite. Korrelationen zwischen dem Volumen der Harder-Drüse und weiteren Schädelmaßen, zwischen den Volumina der Harder-Drüse und der Bulbus oculi und zwischen dem Volumen der Bulbus oculi und den Orbitamaßen konnten nicht festgestellt werden. Die vorliegende Arbeit liefert erstmalig eine detaillierte topographische Beschreibung der Harder-Drüse bei Tupaia belangeri mit Hilfe bildgebender Verfahren. Die beobachteten und nachgewiesenen Geschlechtsunterschiede in Form, Ausdehnung und Größe der Harder-Drüse belegen zudem, dass das 7-Tesla Kleintier-MRT hervorragend geeignet ist makroskopische Strukturen der Harder-Drüse in hoher Präzision darzustellen. Damit erschließen sich neue Untersuchungsmöglichkeiten, um weitere detaillierte Einblicke in die Kopforgane der Tupaia zerstörungsfrei zu erhalten. Der damit zu erwartende Erkenntniszuwachs ist von besonderer Bedeutung, um die Stellung der Tupaia als Schwesterngruppe der Primaten wieder stärker in den Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen zu rücken.
In dieser Studie haben wir die Volumina definierter Hirnkompartimente und -Gewebeklassen frühgeborener Kinder am Geburtsterminäquivalent basierend auf MRT-Aufnahmen des Gehirns bestimmt und deren Korrelationen zu klinischen Parametern und therapeutischen Interventionen im Rahmen des Verlaufs auf der neonatologischen Intensiv- und Nachsorgestation untersucht. Anschließend erfolgte eine Fragebogenstudie im Sinne einer entwicklungsneurologischen Follow-up-Untersuchung.
Entsprechend unserer Fragestellungen konnten wir in unserer Studie Korrelationen zwischen dem Gestationsalter und den Volumina verschiedener Hirnkompartimente nachweisen. Insbesondere konnte eine Zunahme der Volumina von kortikaler grauer und myelinisierter weißer Substanz mit zunehmendem Gestationsalter aber auch mit zunehmendem Alter am Untersuchungszeitpunkt gezeigt werden. Letzteres ist hinweisgebend darauf, dass bei Frühgeborenen ex utero das zerebrale Wachstum im Sinne einer Volumenzunahme voranschreitet. Bei den Kindern mit geringerem Gestationsalter (23-27 SSW) ist das Wachstum der kortikalen grauen Substanz bezogen auf das Gesamtparenchym der dominierende Wachstumsprozess bis zum errechneten Termin.
Wir konnten zeigen, dass nicht nur das Gestationsalter allein, sondern insbesondere das Eintreten pathologischer Prozesse die Hirnentwicklung beeinflusst. Auffällig ist ein geringeres Kortexvolumen bei Kindern mit intrauteriner Wachstumsretardierung mit einem GA von 31-36 SSW. In dieser Gruppe ist – invers zu den Frühgeborenen geringerer Schwangerschaftswochen – die Zunahme der nicht-myelinisierten weißen Substanz dominierend.
Das Volumen der subkortikalen grauen Substanz ist negativ mit der Beatmungsdauer und Dauer der Sauerstofftherapie korreliert. Das Auftreten intraventrikulärer Blutungen war entsprechend der Pathophysiologie (Hydrocephalus internus/malresorptivus) mit einer Erweiterung des Ventrikelsystems, nicht jedoch aber der äußeren Liquorräume, assoziiert. Bei diesen Kindern zeigt sich außerdem eine beeinträchtigte quantitative Entwicklung der myelinisierten weißen Substanz.
Unter Berücksichtigung unserer Studiendaten liegt die Schlussfolgerung nahe, dass es im Rahmen der Hirnentwicklung vulnerable Perioden hinsichtlich der Reifung und des Wachstums spezifischer Hirnregionen gibt.
Außerdem haben wir gezeigt, dass unser gewähltes manuelles Segmentierungs-/Volumetrieverfahren – die „Point-Counting-Methode“ in Verbindung mit dem „Cavalieri-Prinzip“ – ein valides Verfahren ist. Dies zeigte sich bei der Anwendung auf unser Kalibrations-Phantom sowie auch in der direkten Anwendung auf die MRT-Datensätze. Die Ergebnisse dieser Methode sind vergleichbar mit denen (semi-) automatischer Verfahren.
Temporomandibulärer Schmerz ist ein häufiges Symptom bestehend aus Schmerzen lokalisiert um den gelenknahen Anteil des Kiefers mit einer starken Abhängigkeit von Stressoren. Chronische Schmerzen wurden bereits mit Veränderungen des Volumens der grauen Hirnsubstanz (GMV) assoziiert. Frühere Studien zum Thema haben bis jetzt jedoch widersprüchliche Ergebnisse geliefert. Dies könnte unter anderem den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Studienpopulationen sowie den zugrundeliegenden Studienmethoden geschuldet sein.
Um die Auswirkungen chronischer Schmerzen auf die Gehirnstruktur mit hohen Fallzahlen zu untersuchen, wurden in der vorliegenden Arbeit drei Gruppen klinischer Patienten, insgesamt 47 Individuen, und eine Studienpopulation, bestehend aus insgesamt 57 Patienten, die Gesichtsschmerzen über die letzten 6 Monate angaben, analysiert. Die Patienten der Studienpopulation wurden aus der Study of Health in Pomerania (SHIP) rekrutiert, die Patienten der klinischen Probandengruppen in Zusammenarbeit mit der Zahnklinik Greifswald. Das Volumen der grauen Hirnsubstanz dieser Patienten wurde jeweils mit dem einer gesunden Kontrollgruppe ohne chronische Schmerzen verglichen.
Die Kontrollgruppe bestand aus 60 Individuen für den Vergleich mit den klinischen Patienten sowie 381 Individuen für den Vergleich mit den Patienten der Studienpopulation. Beide Kontrollgruppen waren jeweils für Alter und Geschlecht entsprechend korrigiert.
Zur Gehirnstrukturanalyse kam Voxelbasierte Morphometrie als populäres In-vivo-Verfahren zum Einsatz. Hiefür erhielten sowohl Patienten als auch die Kontrollpersonen ein MRT. In einer Region of Interest (Bereich von Interesse) Analyse zeigte nur die klinische Patientengruppe ein verringertes Volumen der grauen Substanz in den Bereichen des anteromedialen Gyrus cinguli bis in den medialen präfrontalen Cortex reichend, bei denen aus der Literatur bereits eine besonde Anfälligkeit gegenüber chronischen Schmerzen und einer damit verbundenen Reduktion der grauen Substanz bekannt ist.
Die transkutane Vagusnervstimulation (tVNS) findet als Methode zur Schmerzlinderung zunehmend mehr Beachtung, allerdings ist der zugrunde liegende Wirkmechanismus noch weitgehend unklar. Das Ziel dieser Dissertation war es daher, die potentiellen hypoalgetischen Effekte der tVNS in einer Kohorte aus gesunden Probanden zu untersuchen und anschließend mittels funktioneller Bildgebung den zerebralen Wirkmechanismus zu erforschen. Für die Studien wurden junge, gesunde, rechtshändige Probanden ausgewählt. Experimentelle elektrische oder thermische Schmerzen wurden mittels eines zertifizierten Schmerzgenerators am rechten Mittelfinger oder am Unterarm zugefügt. Für die tVNS fanden TENS-Geräte Verwendung. In einem Cross-Over-Design wurde die Reaktion der Probanden auf tVNS- und Placebo-Anwendung untersucht. Die Analyse der erhobenen Daten zeigte ein unterschiedliches Verhalten der Probanden auf tVNS. Während einige Probanden mit der erwarteten Hypoalgesie reagierten (Responder), zeigten Andere eine Hyperalgesie (Non-Responder). Unter Placebo- Bedingungen unterschieden sich die Probanden nicht. Die Vitalparameter, wie Blutdruck und Herzfrequenz, änderten sich während der gesamten Untersuchung nicht signifikant. Die Gruppenanalyse der zerebralen Antwort ergab keine signifikanten Ergebnisse. Erst nach Selektion der Responder (8/20 Probanden) zeigte sich unter tVNS eine reduzierte Aktivität in Arealen der affektiven Schmerzverarbeitung. Die Existenz von Respondern und Non-Respondern auf tVNS ist eine plausible Erklärung für die widersprüchlichen Ergebnisse in den vorausgegangenen experimentellen und klinischen Studien. Aufgrund von anatomischen Voraussetzungen der Methode ist eine reduzierte Wirkung, z.B. bei abweichender Innervation des Ohres oder unterschiedlicher Ausgangsaktivierung des Vagusnerven, möglich. Das nächste Ziel sollte daher sein, die Responder der Methode bereits vor der Behandlung zu ermitteln.
Der traumatische Spannungspneumothorax stellt eine akut lebensbedrohliche Komplikation eines Thoraxtraumas dar und kann durch eine massive intrathorakale Druckzunahme zum Kreislaufversagen führen. Einzige Behandlungsmöglichkeit ist die notfallmäßige Entlastung des erhöhten intrathorakalen Druckes. Die sogenannte Nadeldekompression, das heißt die Druckentlastung durch Punktion der Thoraxwand mittels einer Hohlnadel an definierter anatomischer Lokalisation, ist fester Bestandteil notfallmedizinischer Behandlungsleitlinien. So wird in der aktuellen S3-Leitlinie Polytrauma / Schwerverletzten-Behandlung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie die Entlastung eines Spannungspneumothorax im zweiten Interkostalraum in der Medioklavikularlinie unter Verwendung einer 4,5 cm langen Venenverweilkanüle, gefolgt von einer chirurgischen Eröffnung des Pleuraspaltes mit oder ohne Thoraxdrainage, empfohlen. Das ATLS (Advanced Trauma Life Support) Ausbildungskonzept des American College of Surgeons empfiehlt die Nadeldekompression im zweiten Interkostalraum, Medioklavikularlinie, mittels eines 5,0 cm langen Katheters. Hauptgrund für die in der notfallmedizinischen Literatur berichtete relativ hohe Versagensrate durchgeführter Nadeldekompressionen, scheint ein Missverhältnis zwischen empfohlener Nadellänge und tatsächlicher Dicke der Thoraxwand zu sein. So war es Ziel dieser als assoziiertes SHIP (Study of Health in Pomerania) – Projekt durchgeführten Studie (SHIP/2011/117/D), anhand standardisierter Ganzkörper-MRT-Daten die Dicke und Zusammensetzung der vorderen Thoraxwand am empfohlenen Punktionsort zu untersuchen und zu prüfen, ob die Empfehlungen zur Notfallpunktion eines Spannungspneumothorax hinsichtlich der Nadellänge aufrechterhalten werden können. Ferner wurde die Entfernung der Punktionsstelle zum anatomischen Verlauf der Arteria thoracica interna ermittelt, um so die Gefahr einer iatrogenen Läsion abzuschätzen. In die Studie wurden n = 2 574 Probanden (48,1 % männlich) eingeschlossen. Die Messungen der Gesamtdicke der Thoraxwand, der Dicke des Fettgewebes sowie des Abstandes des Punktionsortes zur Arteria thoracica interna erfolgten jeweils für den linken und rechten Hemithorax an T2-gewichteten axialen und an rekonstruierten sagittalen Schnittbildsequenzen unter Verwendung des DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) - Betrachters OsiriX (v3.9.2). Eine mögliche Abhängigkeit der totalen Thoraxwanddicke von Geschlecht, Alter, Körpergröße, Körpergewicht und Body-Mass-Index (BMI) wurde durch Ermittlung des Spearman-Rangkorrelationskoeffizienten untersucht. Die durchschnittliche Dicke der Thoraxwand betrug 5,1 cm (rechts 5,1 cm [Spannweite 1,5 - 12,1 cm, Standardabweichung 1,4 cm], links 5,1 cm [Spannweite 1,8 - 10,5 cm, Standardabweichung 1,3 cm]). Bei weiblichen Probanden war die Dicke der Thoraxwand signifikant größer als bei männlichen (p < 0,0001). Am rechten bzw. linken Hemithorax überstieg die Wanddicke in 61,1 % bzw. 61,5 % aller untersuchten Probanden die Grenze von 4,5 cm. Dabei war dies signifikant häufiger bei Frauen (63,9 %) als bei Männern (58,7 %) (p < 0,0001) der Fall. Es zeigte sich eine hochsignifikante Korrelation zwischen Thoraxwanddicke und Körpergewicht (r = 0,532; p < 0,0001) sowie zwischen Thoraxwanddicke und BMI (r = 0,727; p < 0,0001). Eine Korrelation zwischen Alter bzw. Körpergröße und Dicke der Thoraxwand fand sich hingegen nicht. Die Arteria thoracica interna verlief durchschnittlich 5,5 cm medial des potentiellen Punktionsortes. Die Untersuchung zeigt, dass bei einem Großteil der untersuchten Probanden eine suffiziente Druckentlastung mit den bisher empfohlenen Nadellängen aufgrund einer zu großen Thoraxwanddicke technisch nicht möglich wäre. Eine Anpassung der entsprechenden Ausbildungskonzepte und Leitlinien wird empfohlen.
Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen seit Jahrzehnten in Industrienationen, wie Deutschland, die Haupttodesursache dar.1–4 Verschiedene Parameter nehmen Einfluss auf die Prävalenz und Inzidenz von kardiovaskulären Erkrankungen, sowie auf die Zunahme von Wanddicken großer arterieller Gefäße. Die Wanddicke der Arterien (MAWT) wird als ein Surrogatmarker für die Arteriosklerose verwendet, und diesbezüglich verschiedene Gefäßabschnitte untersucht.21,22 Auch MRT-Untersuchungen erfolgten, in welchem der bisherige Goldstandard die Dark-Blood Sequenz war.33,35–37 In der klinischen Routine wird jedoch im Rahmen eines Kardio-MRT eine cine steady-state free precession(SSFP)- Sequenz verwendet.38,39 Das Ziel unserer Arbeit war es die Dark-Blood (DB)- Sequenz mit der cine (SSFP)- Sequenz mittels Inter- sowie Intrarater Reliabilität zu vergleichen, sowie altersabhängige und geschlechtsspezifische Standardwerte der Wanddicke der Aorta ascendens und descendens in der Allgemeinbevölkerung anhand von Daten der Study of Health in Pomerania (SHIP- Studie) zu bestimmen.
Methode: Für den Vergleich der beiden Sequenzen wurden beide Sequenzen an 50 Nicht-SHIP-Probanden, welche ein Kardio- MRT erhielten, generiert. Diese wurden anschließend von zwei Untersuchern (AQ und TS) bezüglich Interratersowie Intrarater Reliabilität auf Höhe der rechten Pulmonalarterie vermessen und ausgewertet. In der zweiten Publikation erfolgte die Messung der Aortenwanddicke, sowie die Korrelation mit dem Alter und dem Geschlecht an 753 Personen aus der SHIPStudie.
Ergebnisse: Die cine SSFP- Sequenz konnte im Vergleich zu der DB- Sequenz, bei einer hohen Inter- und Intrarater Reliabilität, zuverlässige und vergleichbare Messwerte liefern. Insgesamt zeigte sich, dass die mittlere Aortenwanddicke der Aorta ascendens (1.46 mm bei Frauen, 1.56 mm bei Männern) im Vergleich zur Aorta descendens (1.26 mm bei Frauen, 1.36 mm bei Männern) größer war. Zusätzlich konnte ein Anstieg der Wanddicke mit zunehmendem Alter, sowie eine Geschlechtsabhängigkeit der Wanddicke nachgewiesen werden. Männer haben im Vergleich zu Frauen eine dickere Gefäßwand in beiden untersuchten Gefäßabschnitten auf (p<0.001). In weiteren Auswertungen stellte sich eine gering höhere Abhängigkeit der zunehmenden Aortenwanddicke mit zunehmendem Alter bei dem männlichen Geschlecht dar.
Zielstellung: In dieser prospektiven Arbeit überprüften wir, ob ein sequenzbasierter Softwarealgorithmus zur Geräuschreduktion in der Magnetresonanztomographie (MRT) einen Einfluss auf die Bildqualität und das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) besitzt.
Material und Methoden: Einunddreißig Patienten, 18 Männer, 13 Frauen, Durchschnittsalter 58,3 ± 14,5 Jahren, unterzogen sich einer indizierten, kranialen MRT-Bildgebung. Das Sequenzprotokoll schloss FLAIR-Sequenzen ein, welche mit identischen Scanparametern jeweils mit und ohne Anwendung des Softwarealgorithmus Quiet Suite (QS) (Siemens Healthcare) angefertigt wurden. Mit Hilfe eines Schalldruckpegelmessgerätes (Testo, Typ 815) wurden die maximalen Lautstärkepegel für beide Sequenzen im Untersuchungsraum ermittelt. Es erfolgte die subjektive Beurteilung der Bildqualität auf einer Fünf-Punkte-Skala (1 sehr gut - 5 inadäquat) durch zwei Radiologen unabhängig voneinander. Separat wurde das SNR für die graue Hirnsubstanz, weiße Hirnsubstanz und den Liquor für beide Sequenzen ermittelt. Zusätzlich erfolgte die Auswertung von Detektionsraten pathologischer Läsionen innerhalb der weißen Hirnsubstanz jeweils mit und ohne Verwendung von QS. Die statistische Analyse mit dem Vergleich beider Sequenzen erfolgte mittels Mann-Whitney-U-Test.
Ergebnisse: Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von QS die Schalldruckpegelspitzen signifikant reduziert (83,5 ± 7,3 dB(A) versus 81,5 ± 7,5 dB(A) mit QS, p ≤ 0,017). Hinsichtlich der Beurteilung der subjektiven Bildqualität wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Befundern ermittelt (Befunder 1: 2,03/2,07, p = 0,730; Befunder 2: 1,98/2,10, p = 0,362). QS führte für ausgewählte Bereiche zu einem Anstieg des SNR (graue Substanz, p ≤ 0,001; weiße Substanz p = 0,006). Die Detektionsraten von suspekten Läsionen innerhalb der weißen Substanz zeigten keine signifikanten Unterschiede unter Verwendung von QS (Befunder 1, p = 0,944; Befunder 2, p = 0,952).
Schlussfolgerungen: Sequenzbasierte Softwarealgorithmen, wie QS, besitzen das Potential die Schalldruckpegelspitzen in der MRT signifikant zu reduzieren ohne die subjektive Bildqualität zu kompromittieren oder die diagnostische Genauigkeit zu gefährden.
Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der parameterfreien Statistik anzusiedeln und beschäftigt sich mit der Anwendung von ordinalen Verfahren auf Zeitreihen und Bilddaten. Die Basis bilden dabei die sogenannten ordinalen Muster in ein bzw. zwei Dimensionen. Der erste Hauptteil der Arbeit gibt einen Überblick über die breiten Einsatzmöglichkeiten ordinaler Muster in der Zeitreihenanalyse. Mit ihrer Hilfe wird bei simulierten gebrochenen Brownschen Bewegungen der Hurst-Exponenten geschätzt und anhand von EEG-Daten eine Klassifikationsaufgabe gelöst. Des Weiteren wird die auf der Verteilung der ordinalen Muster beruhende Permutationsentropie eingesetzt, um in Magnetresonanztomographie (MRT)-Ruhedaten Kopfbewegungen der Probanden zu detektieren. Der zweite Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der ordinalen Muster auf zwei Dimensionen, um sie für Bilddaten nutzbar zu machen. Nach einigen Betrachtungen an fraktalen Oberflächen steht eine automatisierte und robuste Einschätzung der Qualität struktureller MRT-Daten im Vordergrund.
Noninvasive Modulation of Cognition in Older Adults – Neural Correlates and Behavioral Outcomes
(2022)
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.