Systems-level neural mechanisms of conscious perception in health and schizophrenia

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4367-9
Julkaisun nimi: Systems-level neural mechanisms of conscious perception in health and schizophrenia
Tekijä: Hirvonen, Jonni
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Aivot ja mieli tohtoriohjelma (B&M)
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: URN:ISSN:2342-317X
Tiivistelmä: The interplay between senses and actions is one of the most crucial processes that takes place in the brain. The successful course from perception of a stimulus to a meaningful action requires coherent communication between different cortical areas. In humans, these events can be measured non- invasively outside the skull, for example by recording electric or magnetic fields that are produced by neuronal population activity on the cortex, with electroencephalography and magnetoencephalography (EEG and MEG). By combining MEG and EEG with simultaneous behavioural experiments, it is possible to extract neuronal activities that are correlated with perception and action. In this thesis, MEG recordings combined with advanced data-analysis techniques were used to study the role of cortical oscillations –brain rhythms – in coordinating conscious perception and action as well as their deficits in chronic schizophrenia. In Study I and Study II, I investigated what the local and large-scale neuronal correlates of conscious somatosensory perception are, respectively. Healthy subjects were stimulated at their index fingers with somatosensory stimuli, adjusted individually at the threshold of detection, so that around half of the time the stimulus was detected. Concurrent MEG recordings and subsequent source-modelling revealed in Study I that perceived trials were correlated with strengthened evoked responses (ERs), phase-locking to stimulus onset (SL), and induced oscillation amplitude modulations. The most robust and widespread of these was SL that was sustained in the low-alpha (6-10 Hz) band. The strength of SL and to a lesser extent that of ER predicted conscious perception in the somatosensory, lateral and medial frontal, posterior parietal, and in the cingulate cortex. In Study II, I investigated the role of large-scale synchronization in the conscious somatosensory perception. Perceiving and reporting of weak somatosensory stimuli were correlated with sustained strengthening of large-scale synchrony, concurrently in delta/theta- (3-7 Hz) and gamma- (40-60 Hz) frequency bands. In a data-driven network localization, I found this synchronization to dynamically connect the task-relevant, i.e. the frontoparietal, sensory and motor systems. The strength and temporal pattern of interareal synchronization were also correlated with the response times. These data showed that a rapid phase-reorganization and concurrent oscillation amplitude modulations in the specific areas play a key role in the emergence of a conscious decision-making, and subsequent actions. Furthermore, this study showed that perception is dependent on transient large-scale phase synchronization in the delta/theta and gamma bands. In the third study, I investigated whether aberrant large-scale synchronization or dysconnectivity could underlie perceptual deficits in patients suffering from schizophrenia. To this end, I analysed MEG data from chronic schizophrenia patients and healthy control subjects recorded during a visual perception closure task. In schizophrenia patients, a reduction in gamma-band (30–120 Hz) oscillation amplitudes, accompanied by a pronounced deficit in large-scale synchronization at gamma-band frequencies characterized visual processing compared to healthy control subjects. Synchronization was reduced within visual regions, as well as between the visual and frontal cortex. Additionally, the reduction of synchronization correlated positively with clinical disorganization scores. Accordingly, these data imply that schizophrenia is associated with a profound disruption of transient synchronization. This observation provides critical support for the notion that the core aspect in the pathophysiology of schizophrenia arises from an impairment in coordination of distributed neural activity.Aistien ja liikkeiden välinen vuorovaikutus on yksi aivojen tärkeimmistä toiminnoista. Mielekkäiden liikkeiden tuottaminen vasteena ärsykkeen tietoiselle havainnolle vaatii useiden aivokuoren alueiden välistä toimivaa yhteydenpitoa. Ihmisillä näitä hermostollisia tapahtumia voidaan mitata turvallisesti kallon ulkopuolelta esimerkiksi tallentamalla hermosolujoukkojen tuottamaa sähkö- tai magneettikenttää aivosähkö- ja aivomagneettikäyrinä (EEG ja MEG). Kun aivotoimintaa mitataan EEG:llä tai MEG:llä samaan aikaan kun koehenkilö suorittaa kokeellista tehtävää, on mahdollista eristää ne hermostolliset ilmiöt, jotka liittyvät kiinteästi yhteen tietoiseen havaintoon ja liikkumiseen. Tässä väitöskirjatyössä MEG-mittaukset on yhdistetty edistyneisiin data-analyysimenetelmiin, jotka mahdollistavat aivokuoren hermostollisten oskillaatioiden eli aivorytmien merkityksen selvittämisen tietoisessa aistihavainnossa, sitä seuraavien liikkeiden synnyssä sekä skitsofrenian aiheuttamissa puutteissa. Väitöskirjaani liittyvissä tutkimuksissa I ja II selvitin mitkä aivokuoren paikalliset ja pitkän matkan hermostolliset ilmiöt liittyvät tietoiseen tuntoärsykehavainnointiin. Näihin tutkimuksiin liittyvissä kokeissa terveille koehenkilöille annettiin etusormenpäihin niin heikkoja ärsykkeitä, että toisinaan he havaitsivat ne ja toisinaan eivät, vaikka ärsykkeen vahvuus oli aina sama. Kokeen kanssa yhtäaikaisesti mitattu MEG ja sitä seuraava lähdemallinnus osoittivat, että ärsykkeiden havainnointi oli yhteydessä samanaikaisesti vahvistuneeseen herätevasteeseen ja vaihelukitukseen kuin myös värähtelylaajuudenmuutoksiin. Kaikkein selkein näistä reaktioista oli oskillaatioiden vaihelukittuminen alfa-taajuuskaistassa (6-10 Hz). Vaihelukituksen vahvuus ja vähemmissä määrin myös herätevasteiden suuruus aivokuoren tuntoaisti-, etulohkon lateraali- ja mediaalipinnoilla sekä päälaenlohkon takaosissa että aivovyössä olivat selvästi yhteydessä ärsykkeen tietoisen havaitsemisen kanssa. Lisäksi ärsykkeen havaitseminen ja sen kertominen käden liikkeellä oli olennaisesti yhteydessä pitkän matkan synkronian pysymisessä delta/teeta- (3-7 Hz) ja gamma- (40-60 Hz) taajuuskaistoilla. Datapohjaisen verkostoanalyysin avulla sain selville, että tämä synkronia yhdisti dynaamisesti tehtävissä olennaiset verkostot aivojen etuotsalohkoilla, päälaella ja aisti- sekä liikeaivoalueilla. Lisäksi tämän eri aivokuoren alueiden välisen synkronian vahvuus ja ajallinen muoto korreloivat koehenkilöiden vastausaikojen kanssa. Nämä tulokset näyttivät toteen sen, että nopea oskillaatiovaiheiden uudelleenjärjestäytyminen ja samanaikaiset amplitudien muutokset tietyillä aivoalueilla ovat merkittävässä roolissa tietoisen päätöksenteon ja sitä seuraavien liikkeiden synnyssä. Näiden ohella tuloksista kävi ilmi, että tietoinen aistihavainto on riippuvainen pitkän matkan synkroniasta delta/teeta- ja gamma-taajuuskaistoissa. Tämän väitöskirjan kolmannessa tutkimuksessa tutkin, voisivatko puutteet aivokuoren pitkän matkan synkroniassa olla taustalla skitsofreniasta kärsivien potilaiden vaikeuksissa havaita epäyhtenäisten näköärsykekuvioiden kokonaisia rakenteita. Tätä varten analysoin sekä terveiden koehenkilöiden että skitsofreniasta kärsivien potilaiden MEG-dataa, joka on mitattu epäyhtenäisistä kasvoista koostuvan kuva-arvoitus tehtävän ratkaisemisen yhteydessä. Tiedetään, että skitsofreniasta kärsivien on hankala erottaa kasvoja vaillinaisista piirteistä. Aivokuoren pitkän matkan oskillaatiosynkronia oli potilailla oleellisesti heikompi kuin terveillä koehenkilöillä eritoten gamma-taajuuskaistassa näköaivokuorella sekä etuotsalohkon että päälaen tarkkaavaisuudesta vastaavilla alueilla. Kaiken lisäksi synkronia oli sitä heikompi mitä vakavammasta sairaudenkuvasta oli kyse. Näin ollen nämä väitöskirjani tulokset osoittavat, että suuret puutteet aivokuoren eri alueiden yhteydenpidossa luonnehtivat skitsofreniaa hermostollisena oskillopaattisena sairautena.Samspelet mellan sinnen och rörelser är en av de mest centrala processerna som sker i hjärnan. Förloppet från varseblivning av en retning till en meningsfull rörelse kräver en sammanhängande förbindelse mellan olika områden i hjärnbarken. Hos människan kan dessa processer uppmätas icke-invasivt utanför skallen, till exempel genom att registrera förändringarna i det magnetfält som alstras av jonrörelser inuti nervcellerna i hjärnbarken. Genom att kombinera hjärnavbildning i form av MEG och EEG med beteendeexperiment som utförs samtidigt, kan man urskilja olika egenskaper hos hjärnvågornas oscillationer, såsom frekvens, amplitud och fas, samt deras grad av synkronisering med olika områden i hjärnbarken. Dessa neurala korrelat som ligger till grund för företeelser som medveten varseblivning och initiering av påföljande rörelser, har oftast olika värden för friska människor jämfört med patienter som lider av en psykisk sjukdom, som till exempel schizofreni. Detaljer rörande dessa korrelat är emellertid dåligt kända och för närvarande föremål för intensiv forskning. För denna avhandling studerades de processer i hjärnbarken som ligger bakom medveten varseblivning och de påföljande rörelserna, i två skilda experiment. I den första delen stimulerades friska försökspersoners pekfingertoppar med somatosensoriska retningar, vilka justerades individuellt vid detektionsgränsen. Detta innebar att försökspersonerna varseblev retningen omkring hälften av tiden. MEG-uppmätningarna och efterföljande källmodellering avslöjade att varseblivning av en retning var förknippad med förstärkta oscillationsmoduleringar. Den kraftigaste och mest utbredda av dessa var faslåsningen till startpunkten för en retning (SL), vilken bibehölls i låg-alfa (6-10 Hz) bandet. Styrkan på SL och i mindre utsträckning också den i amplitud, förebådade medveten varseblivning i den sensomotoriska hjärnbarken, samt i flera områden som bidrar till uppmärksamhet och förnimmelse. Därtill var medveten varseblivning och rapporteringen av svaga, somatosensoriska retningar korrelerad med en fortsatt förstärkning av storskalig synkronisering, såväl i delta/theta- (3-7 Hz) som gamma- (40-60 Hz) frekvensbanden. Resultaten visar att denna synkronisering dynamiskt kopplade samman det kontralaterala sensorimotoriska området och det ipsilaterala frontoparietala nätverk som styr vår objektsigenkänning och varseblivning. Styrkan, respektive det tidsbestämda mönstret i synkronisationen mellan de olika områdena, korrelerades också med responstiderna. Dessa data visar att en snabb fasomsättning och samtidiga oscillationsamplitudmoduleringar i de specifika områdena spelar en nyckelroll i framväxten av en medveten varseblivning och därpåföljande handlingar. Dessutom finns det en koppling till storskalig, dynamisk fassynkronisering i delta/theta- och gammaoscillationsbanden. I den andra delen av studierna associerade med denna avhandling fick patienter drabbade av schizofreni och friska kontrollpersoner utföra en bildtolkningsuppgift, samtidigt som en hjärnavbildning gjordes med MEG. Hjärnvågorna hos schizofrenipatienterna kännetecknades av en minskning av oscillationsamplitud på gamma-bandet (30-120 Hz). Därtill iakttogs en tydlig brist på storskalig synkronisation vid gammabandfrekvenser. Synkroniseringen var svagare inom områden som berör synen, såväl som mellan visuell och frontal hjärnbark. Dessutom fanns en positiv korrelation mellan denna minskade synkronisering och sjukdomens grad. Följaktligen låter dessa data påskina att schizofreni är förknippat med en djup störning av flyktig synkronisering. Denna observation ger viktigt stöd för uppfattningen att den grundläggande aspekten i patofysiologin rörande schizofreni beror på en försämring av koordinationen av utspridd neural aktivitet.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4367-9
http://hdl.handle.net/10138/237205
Päiväys: 2018-08-15
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Systemsl.pdf 1.116MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot