Impact of Neuromodulation on Cognitive and Affective Brain Functions in Humans

Abstract

Erilaisten neuromodulaatiotekniikoiden on esitetty korjaavan hermoratojen häiriöitä ja näitä hoitomuotoja käytetäänkin neurologisten ja psykiatristen sairauksien hoidossa. Tässä työssä tutkittuja neuromodulaatiotekniikoita ovat mm. syväaivostimulaatio (Deep Brain Stimulation, DBS) ja vagushermon stimulaatio (Vagus Nerve Stimulation, VNS) sekä ei-invasiivisena keinona silmänulkoinen valostimulaatio (korvavalo). Monet neuromodulaatiohoidot vaikuttavat tunteista ja tiedonkäsittelystä vastaaviin hermoradastoihin, joten modulaatio vaikuttaa näin ollen myös aivojen tunne- ja tiedonkäsittelytoimintoihin. Tämän väitöskirjan tarkoituksena on selvittää neuromodulaation vaikutuksia ihmisen toiminnanohjaukseen ja tunnetoimintoihin ja tutkia näiden toimintojen taustalla olevia hermoverkostoja. DBS-hoito lisäsi tarkkaavuuden suuntaamista uhkaaviin ärsykkeisiin, mikä nähtiin muutoksina reaktioajoissa ja aivojen fysiologisissa vasteissa. VNS-stimulaation havaittiin parantavan työmuistia ja visuaaliset aivopotentiaalit kasvoivat sopien lisääntyneeseen visuaalisen tarkkaavaisuuteen. Korvavalolla ei havaittu vaikutusta koehenkilöiden kognitiiviseen suorituskykyyn, mutta sillä oli kuitenkin vaikutusta aivojen fysiologiaan uhkaaviin häiriöärsykkeisiin liittyen. Hoitotarkoituksensa lisäksi neuromodulaatiotekniikat antavat täten mahdollisuuden tutkia ihmisen kognition ja tunteiden taustalla olevia hermoverkostoja. Esimerkiksi, tutkimalla DBS:n vaikutuksia, saatiin selville talamuksen etuosan tumakkeen rooli ihmisen tunteiden ja tarkkaavuuden vuorovaikutuksessa.

Neuromodulation techniques have been proposed to restore disrupted neural circuits and are used to treat neurological and psychiatric disorders. The techniques used in the current thesis include deep brain stimulation (DBS), vagus nerve stimulation (VNS) and non-invasive extraocular photomodulation. Many neuromodulation approaches affect cognitive and limbic circuitries, and thus their influence extend to affective and cognitive brain functions. In the study, we used behavioral testing and EEG recording, combined with periodic administration of neuromodulation, to study the immediate effects of neuromodulation on human cognition and emotion. Using these techniques, we found that DBS increased attentional allocation to threat, reflected in behavioral and brain responses. VNS improved working memory performance and increased early visual brain potentials suggesting enhanced visual attention. The ear-canal-delivered extraocular light diminished the modulatory effects of threat-related distractors on brain physiology. Taken together, neuromodulation techniques influenced cognitive and affective brain functions, which should be considered in clinical settings. In addition to their use in medical treatment, these techniques provide unique opportunities to study brain networks underlying human cognition and emotion. For example, DBS treatment allowed us to find the important role of the anterior thalamic nuclei in emotion-attention interaction in humans.