Raumzeit im Gehirn: schnelle Reorganisation von Gehirnnetzwerken bei visueller Verarbeitung und Erholung

Zweck: Obwohl bekannt ist, dass eine Schädigung des Sehnervs, z. B. nach einem Glaukom oder einer Optikusneuropathie, ein lokales Ereignis, die globalen funktionellen Konnektivitätsnetzwerke (FCN) im Ruhezustand des Gehirns verändert, ist nicht bekannt, ob und wie visueller Entzug die Dynamik der vorübergehenden und schnellen FCN-Veränderungen im Gehirn beeinflusst. Die Synchronisation zwischen Hirnregionen ist für die Integration zwischen visuellen und nicht-visuellen Modalitäten in Zeit und Raum von entscheidender Bedeutung, und ob ein Patient visuelle Reize erkennt - oder nicht erkennt - ist recht variabel und kann von der Reaktion des FCN auf visuelle Reize abhängen.

Methoden: Bei Patienten mit Sehnervenschäden (n=19) und gesunden Probanden (n=14) wurde die Fähigkeit, überschwellige Reize zu erkennen, mit Parametern der "ereignisbezogenen Netzwerkanalyse (ERNA) auf der Grundlage der Graphentheorie unmittelbar nach erfolgreichen (Hits) oder erfolglosen Reizerkennungen (Misses) in Beziehung gesetzt. Graphenbasierte Merkmale von transienten und dynamisch synchronisierten Netzwerken wurden nach Stimuluseintritt beschrieben, um unterschiedliche Gesichtsfeldzustände von normalen und teilweise geschädigten Gesichtsfeldsektoren (areas of residual vision, ARVs) zu vergleichen.

Ergebnisse: Im Vergleich zu Kontrollen waren Treffer im intakten Gesichtsfeldsektor bei Patienten mit Veränderungen der Konnektivitätstopologie verbunden, die durch weniger Cluster, aber mehr großräumige Verbindungen mit geringer Effizienz gekennzeichnet waren. In den Bereichen des Restsehens lösten Treffer bei den Patienten eine dynamische Veränderung des Netzwerks mit schwächerer Knotenstärke und geringerer Clusterbildung, kürzerer charakteristischer Pfadlänge und geringerer Small-Worldness aus als Treffer in ihrem intakten Feld. Diese schnellen Veränderungen der FCN-Topologie traten hauptsächlich im hohen Alpha- und Beta-Band in der späten "kognitiven Verarbeitungsphase (300-600 ms)" auf.

Schlussfolgerung: Patienten mit einer Schädigung des Sehnervs haben eine schwächere Verarbeitungsbalance von funktioneller Integration und Segregation während der Kognition, was lokale und globale Informationsinteraktionen reduziert. FCN-Fluktuationen sind somit ein physiologisches Korrelat der Reaktionsvariabilität visueller Funktionen, und die Modulation des Netzwerks könnte ein mögliches Ziel für die Modulation der visuellen Leistung darstellen.

Spacetime in the Brain: rapid brain network reorganization in visual processing and recovery

Purpose: Although it is known that optic nerve damage, for example after glaucoma or optic neuropathy, a local event, alters global functional connectivity networks (FCN) in the brain resting state, it is unknown if and how visual deprivation a ects the dynamics of transient and rapid brain FCN changes. The synchronization between brain regions is essential for the integration between visual and non-visual modalities in time and space, and if a patient detects - or fails to detect - visual stimuli is rather variable and may depend on the FCN response to visual stimuli.

Methods: In patients with optic nerve damage (n=19) and healthy subjects (n=14), the ability to detect super-threshold stimuli was related to parameters of the ”event related network analysis (ERNA) based on graph theory immediately following successful (hits) or unsuccessful stimulus detections (misses). Graph-based features of transient and dynamically synchronized networks where described following stimulus onset to compare di erent visual field states of normal and partially damaged visual field sectors (areas of residual vision, ARVs).

Results: Compared to controls, hits in the intact visual field sector in patients where associated with connectivity topology changes characterized by less cluster, but more large scale connections with low e ciency. In areas of residual vision, hits in patients evoked a network dynamic change with weaker node strength and less clustering, shorter characteristic path length and poorer small-world-ness than hits in their intact field. These rapid FCN topology changes happened primarily in high alpha and beta band in the late ”cognitive processing stage (300-600 ms).

Conclusion: Patients with optic nerve damage have a weaker processing balance of functional integration and segregation during the cognition which reduces local and global information interactions. FCN fluctuations are thus a physiological correlate of response variability of visual functions and network modulation might be a possible target for modulating visual performance.