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Sensorimotor representations of swallowing in pre- and postcentral gyri of both cerebral hemispheres are interconnected by callosal tracts. We were interested in (1) the callosal location of fibers interconnecting the precentral gyri (with the primary motor cortex; M1) and the postcentral gyri (with the primary somatosensory cortex; S1) relevant for swallowing, and (2) the importance of their integrity given the challenges of swallowing compliance after recovery of dysphagia following stroke. We investigated 17 patients who had almost recovered from dysphagia in the chronic stage following stroke and age-matched and gender-matched healthy controls. We assessed their swallowing compliance, investigating swallowing of a predefined bolus in one swallowing movement in response to a ‘go’ signal when in a lying position. A somatotopic representation of swallowing was mapped for the pre- and postcentral gyrus, and callosal tract location between these regions was compared to results for healthy participants. We applied multi-directional diffusion-weighted imaging of the brain in patients and matched controls to calculate fractional anisotropy (FA) as a tract integrity marker for M1/S1 callosal fibers. Firstly, interconnecting callosal tract maps were well spatially separated for M1 and S1, but were overlapped for somatotopic differentiation within M1 and S1 in healthy participants’ data (HCP: head/face representation; in house dataset: fMRI-swallowing representation in healthy volunteers). Secondly, the FA for both callosal tracts, connecting M1 and S1 swallowing representations, were decreased for patients when compared to healthy volunteers. Thirdly, integrity of callosal fibers interconnecting S1 swallowing representation sites was associated with effective swallowing compliance. We conclude that somatosensory interaction between hemispheres is important for effective swallowing in the case of a demanding task undertaken by stroke survivors with good swallowing outcome from dysphagia.
Bildgebung zur Vorhersage und Verlaufsbetrachtung der motorischen Restitution nach Schlaganfall
(2019)
In dieser kumulativen Dissertation wird erörtert, welche Rolle die Bildgebung mittels MRT bei der Beantwortung von wichtigen Fragen im Hinblick auf die Erholung nach einem Schlaganfallereignis spielt.
Da Schlaganfälle gerade in Deutschland noch immer die Hauptursache von längerfristigen Behinderungen und Einschränkungen darstellen, ist es von großem Interesse, zu ergründen, inwiefern ein einzelner Patient wieder volle Funktionsfähigkeit und somit eine Wiederintegration in den Alltag erlangen kann.
Ein frühzeitiger Einsatz bildgebender Verfahren kann die Vorhersage der motorischen Fähigkeiten eines Patienten wesentlich verbessern. Dieses Vorgehen ist jedoch mit zahlreichen Schwierigkeiten versehen, die im Übersichtsartikel [Horn et al., 2016a] erläutert werden und der somit Gründe liefert, weshalb eine solche Prädiktion nicht bereits in den Klinikalltag integriert werden konnte. Im Artikel werden strukturelle und funktionelle Bildgebungsparameter hinsichtlich ihrer Eignung als Biomarker für die Vorhersage der motorischen Fähigkeiten nach dem Schlaganfall bewertet. Begleitend dazu werden in der vorliegenden Arbeit Beispiele für eine solche Vorhersage anhand eines weiteren Artikels erläutert [Lindow et al., 2016].
Es zeigen sich deutliche Unterschiede in der Prädiktionskraft struktureller Parameter im Vergleich zu funktionellen Parametern.
Neben den zahlreichen Faktoren, die die Bildgebung und die Vorhersage daraus beeinflussen, fehlen auch grundsätzlich die Datenmengen, die ein strukturiertes Abarbeiten verschiedener Hypothesen ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, weshalb zunächst bereits erforschte Parameter erhoben werden müssten, um Patienten diesbezüglich zu gruppieren. Erst dann können neue Bildgebungsparameter in den Vorhersage- oder Klassifizierungsprozess eingefügt werden. Ist das nicht der Fall, sind kleine Stichproben mit verschiedenen Vorhersage- und Outcome-Parametern nur schwer vergleichbar und die Forschung bewegt sich wenig voran in Richtung einer individuellen Vorhersage.
Es kann zudem durchaus vorteilhaft sein, eine Prädiktion nicht nur datengetrieben durchzuführen, sondern zusätzlich Modelle zu entwickeln, wieso gewisse Prädiktionen so gut funktionieren und auf welchem Wege gewisse Parameter diese Vorhersage ermöglichen.
Ein weitergehendes Verständnis und eine Verfeinerung dieser Prädiktion würde eventuell irgendwann dazu führen, dass man anhand diverser Messungen eines Patienten eine Art Simulation durchführen könnte, wie sich dessen Gehirn über die Zeit entwickeln wird und so individuelle Vorhersagen ermöglichen. Hier braucht es jedoch nicht nur entsprechende biophysikalische Modelle der Interaktion der verschiedenen hierarchischen Ebenen sondern auch grundlegende Forschung, die alle Faktoren bestimmt, die einen Einfluss auf die Bildgebungsergebnisse haben.
Das Verständnis für die zugrundeliegenden strukturellen und funktionellen Veränderungen während der Erholung ist wesentlich für eine verbesserte Vorhersage der Endzustände solcher Plastizitätsprozesse. Aus diesem Grund ist eine andere sinnvolle Herangehensweise an die Gesamtproblematik Schlaganfallforschung mittels longitudinaler Studien zu bewerkstelligen. Hierbei können während mehrfacher Messungen Prozesse abgebildet werden, die ausgehend von einem Initialzustand des geschädigten Netzwerks vonstattengehen. Auch dabei gilt es, sich auf bestimmte Patienten zu beschränken, damit so viele Faktoren wie möglich konstant gehalten werden können, die für eine gewisse Varianz zwischen Patienten verantwortlich sind. In einer weiteren hier beschriebenen Studie [Horn et al., 2016b] geschah dies durch eine Beschränkung auf eine Gruppe, die schon bestimmte motorische Fertigkeiten aufwies und dementsprechend lediglich eine mäßige Schädigung des motorischen Systems. Die Veränderungen der Gehirnaktivierung beschränkten sich auf eine spezifische Region, den ventralen prämotorischen Kortex, dessen Aktivität mit der Zeit zunahm. Die funktionellen Veränderungen dieses Areals, das vermehrt für Objektmanipulation aktiviert wird, konnten zudem mittels einer Analyse der Verbindungsstärken ergänzt werden. Zahlreiche weitere Untersuchungen sind notwendig, um zu verstehen, wie diese verschiedenen Ebenen der Reorganisation miteinander interagieren und welche Faktoren einen Einfluss auf diese Messungen haben. Dies muss bereits an Gesunden erforscht werden, um die pathologischen Prozesse in Patienten von weiteren Faktoren abzugrenzen, die einen Einfluss auf die Bildgebungsergebnisse
Die Beziehung zwischen struktureller und funktioneller Integrität absteigender motorischer Bahnen kann helfen, das rehabilitative Potential bei Patienten mit erstmaligem subkortikalen Schlaganfall einzuschätzen. Wir untersuchten 14 Patienten im chronischen Stadium nach subkortikalem Schlaganfall mittels funktionellem MRT, DTI und TMS und verglichen die Ergebnisse unterschiedlich komplexer motorischer Paradigmen mit einer Gruppe von 24 gesunden Probanden gleichen Alters. Die Ergebnisse lassen auf einen der Wiederherstellung der Handfunktion nach Schlaganfall dienlichen Effekt sekundär motorischer Areale der kontraläsionalen Hemisphäre bei stärkerer Schädigung corticospinaler Bahnen schließen.
Als Grundlage wurden zunächst Auswertebögen erarbeitet und erste Patienten im Zeitraum vom 24.09.2007 bis 28.03.2009 in die Studie eingeschlossen. Es handelt sich um ein ausgewähltes Patientengut mit supratentoriellen Territorialinfarkten mit Studieneinschluss innerhalb der ersten 24 Stunden nach Beginn der Schlaganfallsymptomatik. Insgesamt umfasst unsere prospektive Studie bisher 74 Patienten. 29 der 74 Patienten waren männlich (39,2 Prozent), 45 (60,8 Prozent) weiblich. 9 Patienten (12,2 Prozent) bekamen epileptische Anfälle. Davon waren 6 weiblich (66,7 Prozent) und 3 männlich (33,3 Prozent). Epilepsien nach Hirninfarkt sind häufiger als bisher beschrieben. Alle Patienten mit Spätanfällen entwickelten eine Epilepsie. Alle zerebrovaskulären Risikofaktoren spielen keine Rolle für das Auftreten epileptischer Anfälle nach Schlaganfall. Die speziellen Therapieverfahren (i.v. und i.a. Lyse, mechanische Thrombektomie) erhöhen ebenfalls nicht die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten epileptischer Anfälle. Die Auswertung der initialen Bildgebungsdaten zeigt, dass das Ausmaß an Infarktfrühzeichen mittels ASPECT Score eine Rolle für das Auftreten bei epileptischen Anfällen spielt. Je niedriger der ASPECTS desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten epileptischer Anfälle. Infarktvolumina spielen keine Rolle. Da unser Patientengut fast nur Mediainfarkte hatte, ist ein Vergleich mit anderen möglichen Gefäßarealen als Risikofaktor für das Auftreten epileptischer Anfälle nicht möglich. Sekundäre hämorrhagische Transformationen haben keine Bedeutung für das Auftreten epileptischer Anfälle. Der ARWMC-Score zeigt widersprüchliche Ergebnisse. Es besteht keine Korrelation zwischen Epilepsien und Mortalität. Das EEG ist für die Risikoabschätzung nach bisherigen Ergebnissen nicht brauchbar. Insbesondere die in der Literatur oft erwähnten PLEDs spielen bisher keine Rolle. Dieser erste Analysezeitpunkt (6 Monate +/- 3 Monate nach Symptombeginn) ist wahrscheinlich zu kurz um eine endgültige Aussage zur Häufigkeit des Auftretens einer Epilepsie nach Territorialinfarkten treffen zu können. Die weiteren Auswertungen der Studie müssen abgewartet werden.
Die motorische Leistungsfähigkeit nimmt mit steigendem Alter ab. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass cerebrale Mehraktivierungen, die bei älteren Menschen beobachtet werden, die altersbedingten Defizite kompensieren können. Jedoch ist nicht bekannt, ob gesteigerte Aktivierung — besonders in motorischen Regionen der kontralateralen und ipsilateralen Hemisphäre — effektiv zu motorischer Leistung beitragen oder ob diese Ausdruck einer ineffektiven Anpassung an altersbedingte Defizite des motorischen Systems sind und somit einer neuronalen Dedifferenzierung entsprechen. Wir untersuchten diese Frage in Gruppen von jungen und alten Probanden anhand unterschiedlich komplexer motorischer Paradigmen. Diese umfassten einfache Paradigmen (passive Bewegungsschiene, Faustschlussbewegungen in 1 Hz und in individuell maximaler Frequenz) sowie komplexe Paradigmen eines somatosensorisch geführten Fingerfertigkeitstests und einer visuellen Nachführaufgabe. In der Gruppe der älteren Probanden waren die Hirnaktiverungen generell gesteigert, vor allem in den primären und sekundären Arealen der ipsilateralen Hemisphäre. Die Gruppe der jungen Probanden zeigte fokussierte Mehraktivierungen im kontralateralen primär motorischen Kortex während des Fingerfertigkeitstests. Während des komplexen Paradigmas der Fingerfertigkeit war das Leistungsniveau der Gruppen vergleichbar. Korrelationen zwischen motorischer Leistung und den fMRT Aktivierungen wurden durchgeführt. Die älteren Probanden zeigten eine negative Korrelation in der ipsilateralen SMA und im ipsilateralen SM1. Die jungen Probanden zeigten eine positive Korrelation in der kontralateralen SMA und dem kontralateralem SM1. In der ersten Studie konnte gezeigt werden, dass die gesteigerte cerebrale Rekrutierung eine ineffektive Antwort auf eine altersbezogen gesteigerte Schwierigkeit der Aufgabe darstellt und nicht als effektiver Weg angesehen werden kann, altersbezogene Defizite des motorischen Systems zu überwinden. Eine weitere Gruppe von Probanden, die sich durch cerebrale Mehraktivierungen auszeichnen, sind Schlaganfallpatienten. Gesteigerte Aktivierungen sind dabei oft Ausdruck schlechter motorischer Restitution und mit schlechten Rehabilitationserfolgen assoziiert. Für die Vorhersage des Rehabilitations-Potentials nach Schlaganfall spielen sowohl die strukturelle als auch die funktionelle Integrität der absteigenden motorischen Bahnen eine gewichtige Rolle. Die zweite Studie untersuchte das Verhältnis zwischen Biomarkern cerebraler Bildgebung auf Ebene der Capsula interna in der kontra- und ipsilateralen Hemisphäre und der Handfunktion bei Schlaganfallpatienten, die eine fast vollständige Restitution der motorischen Funktion erfahren hatten. Die fraktionale Anisotropie und das Verhältnis der Bahnen in den Hemisphären des posterioren Schenkels der Capsula interna wurden durch diffusionsgewichtete MRT Messungen bestimmt. Die funktionelle Integrität der kortikospinalen Bahnen wurde mittels Transcranieller Magnetischer Stimulation (TMS) gemessen. Patienten mit geringer MEP-Amplitude zeigten hier eine abgeschwächte Handkraft und vermehrte Aktivierung des primär motorischen Kortex der betroffenen Hemisphäre. Bei einer Gruppe von chronischen Schlaganfallpatienten mit subkortikalen ischaemischen Insulten wurden mittels fMRT die Hirnaktivierungen während der Paradigmen einer passiven Bewegungsschiene und Faustschlussbewegungen in 1Hz und individuell maximaler Frequenz gemessen. Asymmetrische Verteilung der subkortikalen Bahnen zwischen den Hemisphären war mit schlechterer Handfertigkeit und mit gesteigerter Aktivierung des dorsalen Prämotorischen Kortex der kontraläsionalen Hemisphäre während der anspruchsvollen Handparadigmen assoziiert. Aus den Ergebnissen der Studie kann man die Möglichkeit einer vorteilhaften Reorganisation der ipsiläsionalen sekundär motorischen Regionen ableiten, die auf gesteigerte Anforderungen nach Affektion der kortikospinalen Bahnen durch subkortikale Schlaganfälle zurückzuführen ist.
Age-related brain injuries including stroke, are a major cause of physical and mental disabilities. Therefore studying the basic mechanism underlying functional recovery after brain stroke in middle aged subjected it is of considerable clinical interest. Data from our lab and elsewhere indicate that, behaviorally, middle aged rats were more severely impaired by stroke than were young rats, and they also showed diminished functional recovery. Infarct volume did not differ significantly in young and middle aged animals, but critical differences were apparent in the cytological response to stroke, most notably an age-related acceleration of the establishment of the glial scar. The early infarct in older rats is associated with a premature accumulation of BrdU-positive microglia and astrocytes, persistence of activated oligodendrocytes, a high incidence of neuronal degeneration, and accelerated apoptosis. In middle aged rats, neuroepithelial-positive cells were rapidly incorporated into the glial scar, but these neuroepithelial-like cells did not make a significant contribution to neurogenesis in the infarcted cortex in young or middle aged animals. Stroke is accompanied by a strong inflammatory reaction in the brain. We hypothesized that a mild systemic inflammatory reaction as caused by periodontal disease prior to stroke onset, may exert a neuroprotective effect in a rat model of focal ischemia. To test this hypothesis, marginal periodontitis was induced in BB/LL Wistar rats for 3 weeks. Two weeks after periodontitis initiation, focal cerebral ischemia was produced by reversible occlusion of the right middle cerebral artery. After a survival time of 7 days after ischemia, rat brains were analyzed. In addition, markers of systemic inflammation were determined in a different group of laboratory animals at 14 days after the onset of periodontitis. We found that rats with a mild systemic inflammation had a significantly reduced infarct volume and a significant reduction in the number of brain macrophages in the infarcted area. Conclusions: The available evidence indicates that the middle aged brain has the capability to mount a cytoproliferative response to injury, but the timing of the cellular and genetic response to cerebral insult is deregulated in middle aged animals, thereby further compromising functional recovery. In addition we found that that mild systemic inflammation elicited prior to stroke onset may have a neuroprotective effect in rats by reducing the infarct volume and tissue destruction by brain macrophages.