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Titel:Hirnmorphologische Assoziationen in Abhängigkeit der Leistung im Trail Making Test bei gesunden Probanden
Autor:Galla, Isabelle Kim
Weitere Beteiligte: Nenadić, Igor (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2022
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2022/0170
DOI: https://doi.org/10.17192/z2022.0170
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2022-01700
DDC:610 Medizin
Publikationsdatum:2022-04-28
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Trail Making Test Hirnmorphometrie Magnetresonanztomographie Exekutivfunktionen Verarbeitungsgeschwindigkeit Neuropsychologie Psychiatrie VBM, brain morphometry brain imaging magnetic resonance imaging executive functions processing speed neuropsychology psychiatry voxel-based morphome

Zusammenfassung:
Die Exekutivfunktionen dienen als Kontrollfunktion bei der Absolvierung von jeglichen kognitiven Aufgaben und haben somit grundlegende alltägliche Relevanz. Bezüglich des neuroanatomischen Ursprungs der Exekutivfunktionen und auch der Verarbeitungsgeschwindigkeit existierte in der Literatur lange Zeit die Auffassung, dass allein der Frontallappen dafür verantwortlich sei. Jedoch haben mit der Zeit immer mehr Studien dieser Auffassung widersprochen und auch andere Hirnareale aufgeführt, die relevant für die kognitiven Funktionen sind. In dieser Arbeit nutzen wir den Trail Making Test, dessen Teil A ein Indikator für die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist und dessen Teil B gemeinsam mit der TMT-Differenz die Exekutivfunktionen widerspiegelt. In vielen frühen Studien wurde die Leistung im Trail Making Test mit der Funktion des Frontallappens gleichgesetzt. Mittels diverser hirnmorphometrischer Verfahren wollen wir untersuchen, ob insbesondere mit den Exekutivfunktionen umschriebene kortikale Areale assoziiert sind und ob wir Veränderungen in Form eines kortikalen Netzwerks darstellen können. Unsere Studienkohorte bestand aus 681 gesunden Probanden von 18 bis 65 Jahren, mit denen wir MRT-Messungen sowie eine neuropsychologische Untersuchung mithilfe des Trail Making Tests durchführten. Wir akquirierten T1- Bilder mit denen wir im Anschluss voxelbasierte und oberflächenbasierte Analysen durchführten, sowie diffusionsgewichtete Bilder von 633 unserer Probanden, welche den Analysen der Ausrichtung der weißen Substanz dienten. Zunächst führten wir mithilfe von SPM und der CAT12-Toolbox Analysen der grauen Substanz hinsichtlich Volumen, kortikaler Dicke und Gyrifizierung durch. Zusätzlich erfolgte die Berechnung der FA-Werte bestimmter Fasertrakte durch FSL zur Darstellung der Integrität der weißen Substanz. Als statistisches Modell nutzten wir eine multiple Regression und führten eine Korrektur für multiples Testen mittels FDR- bzw. FWE-Korrektur durch. Anhand unserer Testergebnisse ließ sich eine zunehmende Bearbeitungszeit mit steigendem Alter erkennen. Weder für die voxelbasierten Analysen, noch für die Untersuchungen bezüglich der Gyrifizierung ergaben sich signifikante Ergebnisse. Die Bearbeitungszeit des TMT-B zeigte eine positive Korrelation mit der kortikalen Dicke in temporalen, parietalen und frontalen Arealen, was bedeutet, dass ein dünnerer Kortex mit einer besseren Testleistung assoziiert ist. Die Diffusionstensor-Bildgebung ergab diverse negative Korrelationen mit der Bearbeitungszeit des TMT-A in multiplen Fasertrakten beider Hemisphären, sowie in interhemisphärischen Verbindungen. Somit zeigte sich eine verstärkte Ausrichtung der Fasertrakte bei besserer Testleistung. Für die Bearbeitungszeit des TMT-B zeigte sich ebenfalls eine negative Korrelation projiziert auf die vordere Thalamusstrahlung und den Fasciculus longitudinalis superior der rechten Hemisphäre. Zusätzlich korrelierte die Diffusionstensor-Bildgebung im Forceps major und minor negativ mit der TMT-Differenz. Unsere Ergebnisse widerlegen die Auffassung, dass der Trail Making Test ausschließlich die Funktion des Frontallappens darstellt. Wir stellten eine ausgeprägtere Ausrichtung diverser Fasern der weißen Substanz in Abhängigkeit mit dem TMT-A und somit der Verarbeitungsgeschwindigkeit fest, was sich mit der bestehenden Theorie eines Netzwerksmodells deckt. Die Exekutivfunktionen, die durch den TMT-B und die TMT-Differenz erfasst werden, bildeten ebenfalls ein rechtshemisphärisches Netzwerk zwischen frontalen, parietalen, temporalen und striatalen Anteilen, sowie interhemisphärischen Verbindungen. Dies entspricht einer Kombination aus den bekannten frontoparietalen und -striatalen Kontrollnetzwerken, was die Hypothese stärkt, dass die Exekutivfunktionen als neuroanatomisches Korrelat eher einem Netzwerk entsprechen als explizit dem Frontallappen zuzuordnen sind. Weitere Untersuchungen speziell des Parietallappens und der vorliegenden Lateralisation wären für zukünftige Studien interessant.

Summary:
When completing any cognitive task in everyday life, the executive functions are existential to that. In terms of anatomic location of this cognitive ability along with the processing speed, many studies have shown the frontal lobe as the only brain location associated. But within time there were other studies opposing this theory and showing other brain areas that are accountable for cognitive function. In this study the Trail Making Test is used to depict the processing speed with part A and the executive functions with part B. Previously, there was a common association of the Trail Making Test with the frontal lobe function. But using various brain morphometric methods we want to investigate whether there are additional brain areas responsible for the executive functions and if we can describe some form of cortical network as a foundation of executive function. Our study population contained 681 healthy subjects from 18 to 65 years of age who got MRI brain scans and a neuropsychological testing using the Trail Making Test. There were T1-images collected to perform voxel- and surface-based analysis of the cortex such as DTI-images to examine the white brain structure. Using SPM and the CAT12-toolbox, we examined the gray matter brain structures regarding the volume, cortical thickness and gyrification. Additionally, the FA-scores were computed so the neural pathways and the alignment of the fibers could be displayed. The results were analyzed within a statistical model where we used a multiple regression and compared the processing time of the Trail Making Test with the brain structure and corrected with FDR- and FWE- corrections, respectively. In the first place the results showed an increased processing time of the Trail Making Test with increasing age. The performance on the Trail Making Test did not show any associations with the volume or the gyrification of the gray matter. The scoring time of part B of the Trail Making Test showed a positive correlation with the cortical thickness in temporal, parietal and frontal brain areas, which implicates a thinner cortex as suitable for better cognitive function. The analysis of the white matter structure using DTI-images showed various negative correlations regarding the scoring time of Trail Making Test part A with the fractional anisotropy in distributed brain tracts on both hemispheres. This displays an increased integrity of the fibers when completing the Trail Making Test more efficient. Further on we could demonstrate that the Trail Making Test part B is connected to the anterior thalamic radiation and the fasciculus longitudinalis superior in the right hemisphere by showing a negative correlation. In addition further negative correlations of the TMT-difference with the forceps major and minor as interhemispheric connections could be depicted. Our findings refute the image of the Trail Making Test as an indicator of the frontal lobe function only. We could display various modifications in the white matter structure connected to better processing speed using part A of the Trail Making Test. This can be compared to a network-model of processing speed using different cortical areas to operate. Regarding the executive functions, which were represented by part B of the Trail Making Test and the TMT-difference, an association between a better performance and a thinner cortex could be shown. These results projected on the right hemisphere including frontal, temporal and parietal areas as well as on interhemispheric connections, and thereby displayed a network combining known frontoparietal and -striatal networks. This contradicts the concept of associating the executive functions solely with the frontal lobe. We suggest further investigation especially concerning the parietal lobe and possible impact by lateralization.


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