Impact of sleep on the A$_{1}$ adenosine receptor, neuronal activity, and structural connectivity of the human brain : a multi-modal neuroimaging approach

• Einfluss des Schlafes auf den A1-Adenosinrezeptor, die neuronale Aktivität und die strukturelle Konnektivität des menschlichen Gehirns: Ein multimodaler Neuroimaging-Ansatz

Li, Changhong; Kampa, Björn M. (Thesis advisor); Müller, Frank (Thesis advisor); Elmenhorst, David (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Regelmäßiger Schlaf ist eine wesentliche Funktion um körperliche und geistige Gesundheit aufrecht zu erhalten. Ohne ausreichenden Schlaf besteht ein erhöhtes Risiko für eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit. Mit multimodalen Bildgebungstechniken (Ruhezustands Magnetresonanztomographie (rs-fMRI), Diffusionstensorbildgebung, und Positronen-Emissions-Tomographie) wurde gezeigt, dass einige Gehirnregionen eine Schlüsselrolle bei der Schlaf-Wach-Regulation spielen, wie Thalamus, präfrontaler Kortex und visueller Kortex. Dennoch, fehlen systematische Untersuchungen hinsichtlich der Auswirkungen der Schlafdysregulation auf die strukturelle und funktionelle Architektur des Gehirns sowie deren Beziehung zur Verfügbarkeit des neuromodlulatorischen Schlaffaktor Adenosin, beziehungsweise des A1-Adenosinrezeptors (A1AR) in gesunden Menschen. Um die zeitlichen und räumlichen Merkmale der spontanen neuronalen Aktivität während des rs-fMRI zu charakterisieren, wurden die lokalen rs-fMRI Parameter, regionale Homogenität, Frequenz der niederfrequenten Amplituden, und Grad der Zentralität bestimmt. Die Daten dieser rs-fMRI Metriken wurden voxelweise verglichen zwischen den Bedingungen 52 Stunden Schlafentzug (SD52) und 14 Stunden von Erholungsschlaf (RS14), sowie deren Assoziationen mit der A1AR Verfügbarkeit und neuropsychologischen Tests. Signifikante negative Korrelationen zwischen den lokalen rs-fMRI Metriken und der A1AR Verfügbarkeit nach akutem Schlafverlust wurden im linken oberen/mittleren temporalen Gyrus und im linken postzentralen Gyrus beobachtet. Des Weiteren wurden die veränderten topologischen Eigenschaften der funktionellen Netzwerke des Gehirns unter Schlafentzug mit Methoden der Graphentheorie untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Schlafentzug den Zustand von Kleine-Welt-Netzwerken verstärkt. Weitere netzwerkbasierte Statistik identifizierte eine verringerte funktionellen Konnektivitätskomponenten (der cerebellar-kortikalen und subkortikal-kortikalen Subnetze), während eine Komponente verstärkt wurde die hauptsächlich kortikale Regionen enthält. In einem Dritten Ansatz wurde eine Gleitfensterkorrelationsanalyse angewendet um die zeitlichen Merkmale der spontanen Gehirnaktivität in Form von kurzen Zeitfenstern während rs-fMRI-Scans zu erfassen. Wiederum wurde die dynamische funktionale Konnektivität nach Schlafentzug erfasst. Es zeigte sich, dass bestimmte dynamische Konnektivitätszustände mit erhöhter Schläfrigkeit und beeinträchtigter kognitiver Leistung verbunden waren. Diese Ergebnisse demonstrieren, Schlafentzug reduziert das Auftreten eines globalen Zustands niedriger Konnektivität, erhöht aber das Vorkommen eines Konnektivitätsmuster für leichten Schlaf/Schläfrigkeit. Basierend auf Daten der 1000 Gehirne Studie wurden signifikanten Unterschiede der Mikrostrukturen der weißen Substanz zwischen schlechten und guten Schläfern, sowie Mediationseffekte mit Lebensstress oder depressiver Symptomatik gefunden. Die Diffusionsmetriken des Ccorpus callosum vermitteln teilweise die Assoziationen von schlechter Schlafqualität/hoher Stress mit depressiver Symptomatik. Zusammenfassend zeigen diese multimodalen Neuroimaging-Studien, dass hoher homöostatischer Schlafdruck funktionelle und strukturelle Veränderungen hervorruft, welche in Zusammenhang stehen mit der A1AR-Verfügbarkeit und neuropsychologischen Leistungen. Die Mikrostruktur der weißen Substanz des Corpus callosum ist kritisch für die Beziehungen zwischen Schlafqualität, aktuellem Stress und depressiver Symptomatik in einer Kohorte der alternden Bevölkerung.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Institut für Biologie II (Zoologie) [162100]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare und systemische Neurophysiologie [162320]