title: Low-intensity focused ultrasound stimulation and its potential to modify functional connectivity patterns in the human brain in a circuit-specific manner
Creators: name: Fuchs, Johanna
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Hintergrund: Im Rahmen der Diagnostik einer Depression wird die Anhedonie als eines der beiden Hauptsymptome beschrieben, welche für eine Diagnosestellung dieser Erkrankung erforderlich sind. Aus verschiedenen Studien geht hervor, dass dieses Symptom für den Gesamtverlauf der Depression eine besondere Rolle einzunehmen scheint. Zudem wurde gezeigt, dass die Anhedonie eng mit einer Störung des Belohnungskreislaufs im Gehirn, auch mesokortikolimbischer Kreislauf genannt, verbunden zu sein scheint. Da die zugrundeliegenden Mechanismen der Belohnungsverarbeitung im Allgemeinen nur unzureichend verstanden sind, besteht ein großer Bedarf an einem tieferen Verständnis, um in weiterer Folge dieses Wissen auf die Anhedonie ausweiten zu können. Eine kürzlich etablierte Gehirnstimulationsmethode, namens fokussierte Ultraschallstimulation niedriger Intensität (LIFU) gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit im Hinblick auf kasuale Schlussfolgerungen im Allgemeinen, wenn sie auf tiefe Gehirnstrukturen ausgerichtet wird. Ziel: Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlage für die Anwendung von Kausalschlüssen zum Verständnis von Anhedonie zu schaffen, indem in einem ersten Schritt überprüft wurde, ob die Stimulation einer subkortikalen Region mit LIFU die Interaktion eines gesamten Netzwerksystems modulieren kann, in das die stimulierte Region eingebettet ist. Dabei wurden Daten aus einer früheren Studie verwendet, in der diese Stimulationstechnik bei gesunden Studieneilnehmer*innen angewendet wurde. In einem zweiten Schritt wurden weitere Implikationen und zukünftige Richtungen diskutiert. Methoden: In der durchgeführten Pilotstudie wurden bei 16 gesunden Studienteilnehmer*innen der linke Globus pallidus mit LIFU stimuliert während simultan fMRT-Daten aufgenommen worden sind. Die stimulierte subkortikale Struktur ist Teil eines größeren übergeordneten Schaltkreises, der kortikalen Basalganglienschleife. In Übereinstimmung mit dem Ziel der Arbeit wurde eine psychophysiologische Interaktionsanalyse (PPI) durchgeführt. Ergebnisse: Die Stimulation des linken Globus pallidus führte zu Veränderungen der funktionellen Konnektivität im dorsolateralen präfrontalen Kortex, im medialen präfrontalen Kortex, im anterioren cingulären Kortex sowie im linken Striatum, im linken Hippocampus, in der linken Amygdala, im linken Thalamus, im linken Globus pallidus und im Kleinhirn. Diskussion: Alle Strukturen, die bei der Stimulation des linken Globus pallidus mit LIFU Veränderungen in der funktionellen Konnektivität zeigten, sind Teil der kortikalen Basalganglienschleife. Daher liefern die Ergebnisse der Pilotstudie einen ersten wertvollen Einblick in das Potenzial von LIFU, Veränderungen der funktionellen Konnektivität innerhalb eines bestimmten Hirnkreislaufs zu bewirken, durch die Stimulation einer Hirnregion, die ebenfalls Teil dieses Kreislaufs ist. Dies bietet eine vielversprechende Perspektive für weitere Forschungen, um tiefere Einblicke in die zugrundeliegenden Mechanismen der Belohnungsverarbeitung zu gewinnen, welche in enger Verbindung mit dem mesokortikolimbischen Schaltkreis zu stehen scheint, in dem subkortikalen Hirnstrukturen eine wichtige Rolle zugeschrieben wird. Der Gewinn besteht darin, in zukünftigen Studien relevante Bereiche innerhalb dieses Kreislaufs zu stimulieren, da die Daten zeigen, dass die Stimulation kleiner subkortikaler Bereiche ausreicht, um einen ganzen Kreislauf zu aktivieren.
description: Background: For the diagnosis of depression, anhedonia is described as one of the two main symptoms required. According to various studies, this symptom seems to be of particular importance with regard to the overall course of depression. Research has also shown that anhedonia appears to be strongly associated with a disturbance in the brain’s reward circuit, also known as the mesocorticolimbic circuit. Since the underlying mechanisms of reward processing are generally poorly understood, there is a great need for a deeper understanding in order to subsequently extend this knowledge to anhedonia. A recently established stimulation method called low-intensity focused ultrasound (LIFU) is gaining more and more attention in regard to causal inference in general when targeting deep brain structures. Aim: The overall aim of this thesis was to lay the groundwork to implement causal inference in understanding anhedonia by verifying in a first step whether stimulation of a subcortical region with LIFU can modulate the interaction of an entire network system in which the stimulated region is embedded, using data from a previous study in which this stimulation technique was applied to healthy participants. In a second step further implications and future directions were discussed. Methods: In the pilot study conducted, the left globus pallidus was stimulated with LIFU in 16 healthy participants while simultaneously recording fMRI data. This subcortical structure is part of a larger higher-level circuit called the cortico-basal ganglia circuitry. In line with the aim of the thesis, a psychophysiological interaction (PPI) analysis was performed. Results: Stimulation of the left globus pallidus resulted in changes in functional connectivity in the dorsolateral prefrontal cortex, the medial prefrontal cortex, the anterior cingulate cortex as well as in the left striatum, the left hippocampus, the left amygdala, the left thalamus, the left globus pallidus and in the cerebellum. Discussion: All structures that showed changes in functional connectivity are part of the superordinated cortico-basal ganglia circuitry. Therefore, the results of the pilot study provide a first valuable insight into the potential of LIFU to induce changes in functional connectivity within a specific brain circuit by stimulating a brain region that is also part of that circuit. This offers a promising perspective for further research to gain deeper insights into the underlying mechanisms of reward processing, which appears to be closely associated with the mesocorticolimbic circuit in which subcortical brain structures are thought to play an important role. The gain is to then stimulate relevant areas within this circuit since the data shows that stimulation of small subcortical areas is sufficient to activate a whole circuit.