Neuroplasticity: induction and modulation by external stimulation and pharmacological intervention
Neuroplastizität: Induktion und Modulation mittels externer Stimulation und pharmakologischer Intervention
by Min-Fang Kuo
Date of Examination:2007-07-06
Date of issue:2007-08-16
Advisor:Prof. Dr. Walter Paulus
Referee:Prof. Dr. Walter Paulus
Referee:Prof. Dr. Stefan Treue
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Neuroplasticity, the ability of the human brain to reorganize itself structurally and/or functionally, has been intensively studied in modern neuroscience research. The recent development of advanced technologies such as transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS) now enables the non-invasive exploration of neuroplasticity directly on live brains, including humans. The present work contains three major parts: first, the basic concepts and factors which influence the induction and maintenance of human cortical plasticity are discussed. Here we explored a gender difference of neuroplasticity induced by tDCS in humans. The results demonstrate more facilitatory and less inhibitory neuroplasticity in males as compared to females. This might explain the different incidence of certain neurological diseases between females and males. The second part represents the modulation of cortical plasticity with pharmacological interventions. Here the influence of dopamine (DA) and acetylcholine (ACh) on distinct forms of neuroplasticity, namely global and specific synaptic plasticity induced by tDCS and paired associative stimulation (PAS) respectively, are investigated in humans. We find that both DA and ACh enhance focal and suppress global excitability-enhancing plasticity. Thus it supports the hypothesis that DA and ACh focus specific synaptic inputs in neural networks in order to raise signal-to-noise ratio and thereby enhance information processing. The third part of the thesis focuses on the interaction between neuroplasticity modulation and learning processes. Homeostatic mechanisms are proposed to prevent neural networks from over-enhanced cortical excitability induced by positive-feedback Hebbian plasticity. To study the regulation of homeostatic plasticity and its impact on cognitive functions, we first demonstrate the homeostatic plasticity generated by the combination of tDCS and PAS, with the former modulating global excitability and the latter inducing focal plasticity, which has been suggested to represent the neurophysiological basis of learning. To explore whether the specific homeostatic mechanisms demonstrated in this study apply to learning processes, we further performed an experiment in which we combined tDCS with a motor learning task. The results of this experiment show that the specific impact of tDCS on motor learning is not in accordance with the homeostatic phenomenon observed neurophysiologically, indicating that cognitive functions are regulated in more complicated manners than simple homeostatic mechanisms.
Keywords: neuroplasticity; transcranial magnetic stimulation; transcranial direct current stimulation; motor cortex; dopamine; acetylcholine
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Neuroplastizität, die Möglichkeit des menschlichen Gehirns sich strukturell und funktionell zu reorganisieren, ist schon lange ein Gegenstand der neurowissenschaftlichen Forschung. Fortschritte in der Transkranialen Magnetischen Stimulation (TMS) und Transkranialen Gleichstromstimulation (tDCS) ermöglichen nun die nicht-invasive Untersuchung der Neuroplastizität am lebenden menschlichen Gehirn. Die hier vorgestellte Arbeit besteht aus drei wesentlichen Teilen. Im ersten Teil werden die grundlegenden Konzepte und Faktoren der Induktion und des Erhalts der kortikalen Plastizität im menschlichen Gehirn besprochen. Hier untersuchten wir den Unterschied zwischen den Geschlechtern bezüglich der tDCS-induzierten Neuroplastizität. Es konnte eine höhere faszilitierende und eine geringere inhibierende Neuroplastizität in Männern verglichen mit Frauen gezeigt werden. Dies könnte die unterschiedliche, geschlechtsabhängige Inzidenz bestimmter neurologischer Erkrankungen erklären. Der zwe! ite Teil konzentriert sich auf die Modulation kortikaler Plastizität durch pharmakologische Intervention. Es wurde der Einfluss von Dopamin (DA) und Acetylcholin (ACh) auf distinkte Formen der Neuroplastizität untersucht, im speziellen der globalen und der spezifischen synaptischen Plastizität, welche jeweils durch tDCS bzw. paired associative stimulation (PAS) induziert wird. Es wurde herausgefunden, dass sowohl DA, als auch ACh die fokale Erregungs-verstärkende Plastizität erhöht und die globale Erregungs-verstärkende Plastizität herabsetzt. Dies unterstützt die Hypothese, dass DA und ACh spezifische synaptische Reize in neuronalen Netzwerken fokussieren, um das Reiz-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und damit die Informationsverarbeitung zu verbessern. Der dritte Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Zusammenhänge zwischen Lernprozessen und der Modulation von Neuroplastizität. Es wird angenommen, dass homöostatische Mechanismen neuronale Netzwerke vor exzessiver kortikaler Erregbarkeit, welche durch positive Rückkopplung Hebbianischer Plastizität hervorgerufen wird, schützen. Um die Regulation homöostatischer Plastizität und ihren Einfluss auf kognitive Funktionen zu untersuchen, demonstrierten wir zuerst homöostatische Plastizität hervorgerufen durch eine Kombination aus tDCS und PAS, wobei ersteres globale Erregbarkeit moduliert und zweiteres die fokale. Es wird angenommen, dass dies die neurophysiologische Basis von Lernprozessen ist. Um zu untersuchen, ob spezifische, in dieser Arbeit demonstrierte homöostatische Mechanismen auf Lernprozesse anwendbar sind, führten wir ein weiteres Experiment durch, in dem wir tDCS und eine motorische Lernleistung kombinierten. Die Resultate dieses Experimentes legen nahe, dass der spezifische Einfluss von tDCS auf motorisches Lernen nicht mit homöostatischen Phänomenen auf neurophysiologischer Ebene in Einklang zu bringen ist, was darauf hindeutet, dass kognitive Funktionen auf eine komplexere Art und Weise reguliert werden, als durch simple homöostatische Mechanismen.
Schlagwörter: Neuroplastizität; Transkraniale Magnetische Stimulation; transkraniale Gleichstromstimulation; Dopamin; Acetylcholin; Motorkortex