Für den Monat August 2023 geht das „Paper of the Month“ der Medizinischen Fakultät der WWU Münster an:
 

Dr. Daniel Kluger und Prof. Joachim Groß aus dem Institut für Biomagnetismus und Biosignalanalyse:
 

Modulatory dynamics of periodic and aperiodic activity in respiration-brain coupling

Kluger, DS; Forster, C; (…); Gross, J
AUG 2023 | NATURE COMMUNICATIONS 14(1):4699

 

Begründung der Auswahl:

Bei der Arbeit geht es um die interessante Fragestellung, ob die Atmung in der Lage ist, die physiologische Aktivität neuronaler Schaltkreise zu beeinflussen. Dies konnte von den Autoren nachgewiesen werden und es wurde zusätzlich gezeigt, dass dies offenbar unterschiedlich ist für verschiedene Funktionen neuronaler Schaltkreise (konkret für periodische und aperiodische Aktivität).

Dies ist deshalb interessant, weil dies erstmals die Wechselseitigkeit in der Interaktion zwischen neuronalen Signalen aus dem Gehirn und der Atmungsaktivität belegt. Die Steuerung der Atmung durch Atmungszentren im Gehirn ist natürlich lange bekannt, aber ein umgekehrter Einfluss bislang noch nicht gezeigt worden.
 

Zu Hintergrund, Fragestellung und Bedeutung der Publikation:

Es ist zunehmend anerkannt, das physiologische Rhythmen wie die Atmung neuronale Oszillationen modulieren, die menschlichem Handeln, Wahrnehmung und Kognition zugrunde liegen. Die Verbindung zwischen Atmung und aperiodischer Hirnaktivität – ein nicht-oszillatorischer Marker der Balance zwischen Erregung und Hemmung - ist dagegen noch völlig unerforscht.

Wir verwenden zeitaufgelöste Messungen aperiodischer und oszillatorischer Komponenten neuronaler Aktivität im Ruhezustand, um ihre jeweilige Dynamik in der Kopplung von Atmung und Hirnaktivität zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Atmung ein physiologischer Modulator kortikaler Signalübertragung ist, was ihre Bedeutung für die Regulierung von Erregungszuständen unterstreicht. Fluktuationen aperiodischer Hirnaktivität sind stark an den Atemzyklus gekoppelt, was darauf hindeutet, dass spontane Verschiebungen von Erregungszuständen zumindest teilweise von körperlichen Signalen moduliert werden. Die unterschiedlichen Dynamiken ihrer Kopplung werfen die Frage auf, ob es einen funktionellen Unterschied in der Art und Weise gibt, wie jede Komponente mit der Atmung verbunden ist.

Veränderungen von Erregbarkeitszuständen wurden bei neuro-psychiatrischen Erkrankungen wie Alzheimer, Schizophrenie, ASD und Epilepsie gezeigt. Die Verknüpfung dieser bekannten neuronalen Veränderungen mit peripheren Signalen könnte wesentliche Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Körper und Gehirn in klinischen Populationen liefern.

Background and fundamental question of the publication:

Bodily rhythms such as respiration are increasingly acknowledged to modulate neural oscillations underlying human action, perception, and cognition. Conversely, the link between respiration and aperiodic brain activity – a non-oscillatory reflection of excitation-inhibition (E:I) balance – has remained entirely unstudied.

We used time-resolved fits of aperiodic (1/f) and periodic (oscillatory) components of resting-state brain activity to disentangle their dynamics in respiration-brain coupling. Our results highlight respiration as a slow physiological modulator of cortical signalling, strengthening its previous implication in the regulation of excitability states. We provide evidence that fluctuations of aperiodic brain activity are phase-locked to the respiratory cycle, strongly suggesting that spontaneous state shifts of excitation-inhibition balance are at least partly influenced by bodily signals. Differential temporal dynamics in their coupling to non-oscillatory and oscillatory activity raise the question whether there is a functional distinction in the way each component is related to respiration.

Changes in 1/f slope itself - an indicator of E:I imbalance - have been implicated in neurological and psychiatric disorders like Alzheimer’s disease, schizophrenia, ASD and epilepsy. Linking these known neural alterations to peripheral signals could provide substantial insight into body-brain interactions in health and disease.

Die bisherigen ausgezeichneten „Papers of the Month“ finden Sie HIER.