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THE P300 AND THE LC-NE SYSTEM: NEW INSIGHTS FROM TRANSCUTANEOUS VAGUS NERVE STIMULATION (TVNS)
(2017)
Recent research suggests that the P3b may be closely related to the activation of the locus coeruleus-norepinephrine (LC-NE) system. To further study the potential association, we applied a novel technique, the non-invasive transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS), which is speculated to increase noradrenaline levels. Using a within-subject cross-over design, 20 healthy participants received continuous tVNS and sham stimulation on two consecutive days (stimulation counterbalanced across participants) while performing a visual oddball task. During stimulation, oval non-targets (standard), normal-head (easy) and rotated-head (difficult) targets, as well as novel stimuli (scenes) were presented. As an indirect marker of noradrenergic activation we also collected salivary alpha-amylase (sAA) before and after stimulation. Results showed larger P3b amplitudes for target, relative to standard stimuli, irrespective of stimulation condition. Exploratory post hoc analyses, however, revealed that, in comparison to standard stimuli, easy (but not difficult) targets produced larger P3b (but not P3a) amplitudes during active tVNS, compared to sham stimulation. For sAA levels, although main analyses did not show differential effects of stimulation, direct testing revealed that tVNS (but not sham stimulation) increased sAA levels after stimulation. Additionally, larger differences between tVNS and sham stimulation in P3b magnitudes for easy targets were associated with larger increase in sAA levels after tVNS, but not after sham stimulation. Despite preliminary evidence for a modulatory influence of tVNS on the P3b, which may be partly mediated by activation of the noradrenergic system, additional research in this field is clearly warranted. Future studies need to clarify whether tVNS also facilitates other processes, such as learning and memory, and whether tVNS can be used as therapeutic tool.
Recent research suggests that the P3b may be closely related to the activation of the locus coeruleus-norepinephrine (LC-NE) system. To further study the potential association, we applied a novel technique, the non-invasive transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS), which is speculated to increase noradrenaline levels. Using a within-subject cross-over design, 20 healthy participants received continuous tVNS and sham stimulation on two consecutive days (stimulation counterbalanced across participants) while performing a visual oddball task. During stimulation, oval non-targets (standard), normal-head (easy) and rotated-head (difficult) targets, as well as novel stimuli (scenes) were presented. As an indirect marker of noradrenergic activation we also collected salivary alpha-amylase (sAA) before and after stimulation. Results showed larger P3b amplitudes for target, relative to standard stimuli, irrespective of stimulation condition. Exploratory post hoc analyses, however, revealed that, in comparison to standard stimuli, easy (but not difficult) targets produced larger P3b (but not P3a) amplitudes during active tVNS, compared to sham stimulation. For sAA levels, although main analyses did not show differential effects of stimulation, direct testing revealed that tVNS (but not sham stimulation) increased sAA levels after stimulation. Additionally, larger differences between tVNS and sham stimulation in P3b magnitudes for easy targets were associated with larger increase in sAA levels after tVNS, but not after sham stimulation. Despite preliminary evidence for a modulatory influence of tVNS on the P3b, which may be partly mediated by activation of the noradrenergic system, additional research in this field is clearly warranted. Future studies need to clarify whether tVNS also facilitates other processes, such as learning and memory, and whether tVNS can be used as therapeutic tool.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels des Aufgabenwechselparadigmas, kognitive Prozesse nicht nur anhand von traditionellen Leistungsparametern, sondern zusätzlich durch elektro-physiologische Parameter zu untersuchen. Parameter ereigniskorrelierter Hirnpotentiale (EKP) wurden ebenfalls zur Einschätzung von altersbedingten Änderungen bei der Ausführung von Reaktionszeitaufgaben herangezogen. Nach Rubinstein et al. (2001) setzt sich die Reaktionszeit aus der Dauer seriell angeordneter Verarbeitungsstufen zusammen. Im Stufenmodell der exekutiven Kontrolle von Rubinstein et al. (2001) sind Prozesse der ausführenden Kontrolle nur an Wechseltrials beteiligt und können getrennt von den Aufgabenprozessen ablaufen. Mittels der Informationen zu den Reaktionszeiten ist es jedoch nicht möglich zu klären, auf welche kognitiven Verarbeitungsprozesse Reaktionszeitunterschiede unter den jeweiligen experimentellen Bedingungen zurückzuführen sind. Zur Analyse der kognitiven Prozesse wurden in dieser Untersuchung die CNV und P300 herangezogen. Es wurden zwei Altersgruppen (20-30 Jährige und 49-61 Jährige) untersucht. Den Probanden wurden Ziffern präsentiert, die entweder nach dem numerischen Wert oder der Schriftgröße mit dem Hinweisreiz, der Zahl 5, verglichen werden sollten. Die Stimuli wurden nach dem Alternating-Runs-Paradigma dargeboten (Rogers und Monsell, 1995). Erwartungsgemäß gab es Reaktionszeitunterschiede zwischen alt und jung mit längeren Reaktionszeiten für die älteren Probanden. Altersunterschiede in den Fehlerraten ließen sich nicht nachweisen. Möglicherweise erfolgte die Reaktionsauswahl bei den Älteren überlegter aus als bei den Jüngeren. Dies spiegelte sich in längeren aber fehlerfreien Reaktionen wider. Vermutlich bereiteten jedoch alle Probanden in dem Intervall zwischen Cue und Stimulus das jeweilige Aufgabenset komplett vor. Das könnte auch erklären, warum es bei einem Aufgabenwechsel nicht zu einem Anstieg der Reaktionszeit und der Fehlerrate kam. Entgegen der Erwartung zeigten sich keine Wechselkosten. Teilweise wurden inverse Wechselkosten nachgewiesen. In Bezug auf die Wechselkosten konnte das Stufenmodell der exekutiven Kontrolle (Rubinstein et al., 2001) nicht bestätigt werden. Der explizite Hinweisreiz scheint allerdings Einfluss auf die Wechselkosten zu haben. Verschiedene Erklärungsansätze werden diskutiert. Die Contingent Negative Variation ist wie erwartet vor einem Aufgabenwechsel größer als vor einer Aufgabenwiederholung. Durch den Hinweisreiz ist eine erhöhte Kapazität vorhanden. Entsprechend den Ergebnissen der CNV kann davon ausgegangen werden, dass ältere Erwachsene stärker von der Vorinformation zu profitieren scheinen als jüngere Erwachsene. Die älteren Erwachsenen beginnen im Gegensatz zu den jüngeren Erwachsenen offenbar eher mit der Vorbereitung. Zeitdruck und Aufgabenwechsel lösen eine stärkere P300 aus. Demzufolge scheinen Zeitdruck und Aufgabenwechsel einen erhöhten Kapazitätsbedarf zu erfordern. Im Sinne des Stufenmodells der exekutiven Kontrolle von Rubinstein et al. (2001) führt die Zielverschiebung bei einem Aufgabenwechsel zu einer größeren P300. Die Resultate der hier dargestellten Untersuchungen verdeutlichen, dass ältere Erwachsene einen höheren zeitlichen Aufwand in den Stufen der einzelnen exekutiven Prozesse benötigen. Dies spricht für die Hypothese der selektiven Verlangsamung. Ältere kompensieren dies durch einen höheren Aufwand in der Vorbereitung, was auf elektrokortikaler Ebene nachweisbar ist, sind aber nicht in der Lage, dies in den Reaktionszeiten umzusetzen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung unterstützen die vereinfachte Annahme von Rubinstein et al. (2001), nach dem die Teilprozesse der Reaktionszeit seriell verarbeitet werden können. Die Resultate lassen allerdings den Schluss zu, dass die Wechselkosten im Hinblick auf die Reaktionszeiten nicht der geeignete Parameter für die Messung der exekutiven Kontrolle sind. Die vorgeschlagene Modifikation des Modells von Rubinstein et al. (2001) in der Vorbereitung auf eine Aufgabe gilt es in weiteren Untersuchungen zu bestätigen und die Möglichkeit der Anwendung auf alle Aspekte der exekutiven Kontrollprozesse zu prüfen.