Hemispatial neglect and deficits of verticality perception after stroke - neuropsychological results and modulation via galvanic vestibular stimulation

Hemispatial neglect is a multimodal syndrome that often follows unilateral right-brain damage. Patients with hemispatial neglect fail to notice or respond to sensory stimuli presented in the contralesional hemispace, which is not caused by primary motor or sensory deficits. Associated disorders often co-occurring with hemispatial neglect are deficits of verticality perception. Patients with those deficits show significant deviations in their subjective visual or haptic vertical away from the objective physical vertical when being asked to indicate whether a stepwise rotatable rod in the frontal plane is vertical, either by seeing the rod (visual modality) or by touching it when blindfolded (haptic modality). Both, hemispatial neglect and disorders of verticality perception are very frequent and strongly related to substantial impairments in daily life. Thus, research on the subserving mechanisms and potential treatment methods is of high significance. Four studies were conducted, first addressing the potential benefits and risks of a new treatment method for patients with hemispatial neglect, and second investigating the multimodality of disorders of verticality perception and their occurrence in different spatial planes (frontal, sagittal). Study 1 to 3 of the present doctoral thesis focus on a potential new treatment technique of hemispatial neglect and related disorders, the so-called galvanic vestibular stimulation (GVS). GVS uses weak direct current delivered via electrodes placed on the mastoids behind the ears. The direct current leads to polarization effects of the vestibular nerves and activations of multisensory vestibular brain areas, which are often lesioned in patients with hemispatial neglect and deficits of verticality perception. In order to obtain a broad overview over the technique of GVS and the available evidence of its potential to modulate different neuropsychological phenomena, in Study 1 the scientific literature on GVS and the related technique of transcranial direct current stimulation (tDCS; electrodes are attached to the skull over the target cortical area) in the field of neuropsychology was reviewed. Both GVS and tDCS over the parietal cortex were proven to be able to modulate neglect and related disorders, with little evidence showing GVS-induced modulation of deficits of verticality perception. Study 2 was concerned with the frequency and intensity of adverse effects during and after GVS in persons with stroke and healthy individuals, recorded via a questionnaire. The results indicate only very few and slight adverse effects like mild itching and tingling underneath the electrodes during and after stimulation in both groups. Hence, GVS was shown to be a suitable and easily applicable technique for modulation with only minimal adverse effects. In Study 3, the question was addressed whether GVS modulates a frequent neglect phenomenon, namely the rightward error in horizontal line bisection. GVS significantly decreased the rightward line bisection error during stimulation in right-brain-damaged patients with but not without neglect in contrast with sham stimulation. Right-cathodal GVS was more effective than left-cathodal GVS. Finally, in Study 4 the subjective verticality judgments in two modalities (visual, haptic) and two spatial planes (frontal, sagittal) of right-brain-damaged patients with neglect, right-brain-damaged patients without neglect and age-matched healthy individuals were investigated using a novel testing device for all these tasks. We observed greater unsigned errors and significant perceptual tilts in the verticality judgments of right-brain-damaged patients with neglect in contrast to the other two groups. Tilts of the neglect patients were directed counterclockwise in the roll plane, and towards the observer in the sagittal plane for both modalities. In summary, the studies presented in this work suggest that GVS is a promising treatment method which is able to modulate neglect phenomena and related disorders and is furthermore well-tolerated by persons with stroke and healthy individuals. The beneficial effects of GVS are most likely induced by activation of surviving remnants of the otherwise lesioned multimodal vestibular brain areas in neglect patients, thereby re-calibrating their disturbed spatial representations. Furthermore the present thesis shows that deficits of verticality perception in neglect patients are multimodal and multispatial in nature. These impairments are presumably due to lesions of temporoparietal cortical regions involved in multisensory integration which leads to a disturbed representation of the vertical.Hemispatialer Neglect ist ein multimodales Syndrom, das häufig nach unilateralen rechtshemisphärischen Hirnschädigungen auftritt. Patienten mit hemispatialem Neglect beachten keine oder reagieren nicht auf sensorische Reize, die im kontraläsionalen Halbraum auftreten. Assoziierte Störungen, die häufig das Neglect-Syndrom begleiten, sind Störungen der Vertikalenwahrnehmung. Davon betroffene Patienten zeigen signifikante Abweichungen von der physikalischen Vertikalen in ihrer subjektiven visuellen oder haptischen Vertikalen. Hierbei müssen die Patienten angeben, wann ein in der Frontalebene schrittweise drehbarer Stab vertikal ist (visuelle Modalität) oder den Stab mit verbunden Augen vertikal ausrichten (haptische Modalität). Beide Störungsbilder kommen häufig vor und gehen mit beträchtlichen Einschränkungen im Alltagsleben einher. Aus diesem Grund ist die Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen und möglicher Behandlungsmethoden der Störungen von hoher Relevanz. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Studien durchgeführt, um einerseits den potentiellen Nutzen und die Risiken einer neuen Behandlungsmethode für hemispatialen Neglect zu erfassen, und andererseits das Vorkommen von Störungen der Vertikalenwahrnehmung in verschiedenen Modalitäten und verschiedenen Raumebenen (frontal, sagittal) zu untersuchen. Studien 1 bis 3 der vorliegenden Dissertation widmen sich einer neuen potentiellen Behandlungsmethode von Patienten mit hemispatialem Neglect und verwandten Störungen, der sogenannten Galvanisch Vestibulären Stimulation (GVS). Hierbei wird Gleichstrom geringer Intensität mittels Elektroden appliziert, welche auf den Mastoiden hinter den Ohren platziert werden. Dies aktiviert multisensorische vestibuläre Hirnareale, welche häufig bei Patienten mit hemispatialem Neglect und Störungen der Vertikalenwahrnehmung geschädigt sind. Um einen breiten Überblick über die Methode der GVS und der vorhandenen Untersuchungen zur Modulation von neuropsychologischen Funktionen mittels dieser Methode zu erhalten, wurde in Studie 1 ein Literaturüberblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zur GVS und der verwandten Technik der Transkraniellen Gleichtstromstimulation (tDCS; Elektroden werden auf dem Schädel, über dem zu stimulierenden Kortexbereich, platziert) im Bereich der Neuropsychologie gegeben. Hierbei stellte sich heraus, dass beide Methoden, GVS und tDCS über dem Parietalkortex, in der Lage sind, Neglect und verwandte Störungen zu modulieren. In Studie 2 wurde die Häufigkeit und Intensität von Nebenwirkungen während und nach GVS bei Personen mit Schlaganfall und gesunden Individuen anhand eines Fragebogens erfasst. Die Befunde zeigen, dass GVS nur zu wenigen und leichten Nebenwirkungen, wie leichtes Jucken und Kribbeln der Haut unter den Elektroden, während und nach der Stimulation in beiden Probandengruppen führte. In Studie 3 wurde untersucht, ob GVS ein häufig vorkommendes Neglectphänomen, nämlich die Rechtsabweichung im horizontalen Linienhalbieren, moduliert. GVS verringerte während der Stimulation die Rechtsabweichung von Patienten mit rechtshemisphärischen Hirnschädigungen mit Neglect, nicht aber die von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten ohne Neglect. Rechts-kathodale GVS war hierbei effektiver als links-kathodale GVS. Schließlich wurde in Studie 4 die Beurteilung der Vertikalen in zwei Modalitäten (visuell, haptisch) und zwei Raumebenen (frontal, sagittal) von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten mit Neglect, ohne Neglect, sowie von altersentsprechenden gesunden Individuen erfasst. Dabei wurde ein neues Untersuchungsgerät eingesetzt, welches für alle Aufgaben verwendet wurde. Wir beobachteten größere ungerichtete Fehler und signifikante Verkippungen in den Vertikalitäts-Urteilen von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten mit Neglect im Vergleich zu den anderen beiden Probandengruppen. Die Abweichungen der Neglectpatienten waren in der Frontalebene gegen den Uhrzeigersinn gerichtet und zeigten in der Sagittalebene in Richtung des Beobachters. Dieses Muster wurde in beiden Modalitäten beobachtet. Zusammengefasst legen die hier dargestellten Studien nahe, dass GVS eine vielversprechende Methode zur Modulation von Neglectphänomenen und verwandten Störungen ist und darüber hinaus gut vertragen wird. Die positiven Effekte von GVS bei Neglectpatienten basieren höchstwahrscheinlich auf der Aktivierung erhaltener Bereiche in ansonsten geschädigten multisensorischen vestibulären Hirnbereichen, wodurch gestörte räumliche Repräsentationen rekalibriert werden. Darüber hinaus zeigt die vorliegende Dissertation, dass Störungen der Vertikalenwahrnehmung von Neglectpatienten multimodal sind und in verschiedenen Raumebenen auftreten. Diese Störungen sind vermutlich bedingt durch Läsionen temporo-parietaler Kortexareale, welche an der multisensorischen Integration beteiligt sind und folglich zu gestörten Repräsentationen der Vertikalen führen

Proteinase-activated receptor 2 (PAR2) in hepatic stellate cells – evidence for a role in hepatocellular carcinoma growth in vivo

Background Previous studies have established that proteinase-activated receptor 2 (PAR2) promotes migration and invasion of hepatocellular carcinoma (HCC) cells, suggesting a role in HCC progression. Here, we assessed the impact of PAR2 in HCC stromal cells on HCC growth using LX-2 hepatic stellate cells (HSCs) and Hep3B cells as model. Methods PAR2 expression and function in LX-2 cells was analysed by RT-PCR, confocal immunofluorescence, electron microscopy, and [Ca2+]i measurements, respectively. The impact of LX-2-expressed PAR2 on tumour growth in vivo was monitored using HCC xenotransplantation experiments in SCID mice, in which HCC-like tumours were induced by coinjection of LX-2 cells and Hep3B cells. To characterise the effects of PAR2 activation in LX-2 cells, various signalling pathways were analysed by immunoblotting and proteome profiler arrays. Results Following verification of functional PAR2 expression in LX-2 cells, in vivo studies showed that these cells promoted tumour growth and angiogenesis of HCC xenografts in mice. These effects were significantly reduced when F2RL1 (encoding PAR2) was downregulated by RNA interference (RNAi). In vitro studies confirmed these results demonstrating RNAi mediated inhibition of PAR2 attenuated Smad2/3 activation in response to TGF-β1 stimulation in LX-2 cells and blocked the pro-mitotic effect of LX-2 derived conditioned medium on Hep3B cells. Furthermore, PAR2 stimulation with trypsin or a PAR2-selective activating peptide (PAR2-AP) led to activation of different intracellular signalling pathways, an increased secretion of pro-angiogenic and pro-mitotic factors and proteinases, and an enhanced migration rate across a collagen- coated membrane barrier. Silencing F2RL1 by RNAi or pharmacological inhibition of Src, hepatocyte growth factor receptor (Met), platelet-derived growth factor receptor (PDGFR), p42/p44 mitogen activated protein kinase (MAPK) or matrix-metalloproteinases (MMPs) blocked PAR2-AP-induced migration. Conclusion PAR2 in HSCs plays a crucial role in promoting HCC growth presumably by mediating migration and secretion of pro-angiogenic and pro-mitotic factors. Therefore, PAR2 in stromal HSCs may have relevance as a therapeutic target of HCC

Peanut‐induced anaphylaxis in children and adolescents: Data from the European Anaphylaxis Registry

Background Peanut allergy has a rising prevalence in high-income countries, affecting 0.5%-1.4% of children. This study aimed to better understand peanut anaphylaxis in comparison to anaphylaxis to other food triggers in European children and adolescents. Methods Data was sourced from the European Anaphylaxis Registry via an online questionnaire, after in-depth review of food-induced anaphylaxis cases in a tertiary paediatric allergy centre. Results 3514 cases of food anaphylaxis were reported between July 2007 - March 2018, 56% in patients younger than 18 years. Peanut anaphylaxis was recorded in 459 children and adolescents (85% of all peanut anaphylaxis cases). Previous reactions (42% vs. 38%; p = .001), asthma comorbidity (47% vs. 35%; p < .001), relevant cofactors (29% vs. 22%; p = .004) and biphasic reactions (10% vs. 4%; p = .001) were more commonly reported in peanut anaphylaxis. Most cases were labelled as severe anaphylaxis (Ring&Messmer grade III 65% vs. 56% and grade IV 1.1% vs. 0.9%; p = .001). Self-administration of intramuscular adrenaline was low (17% vs. 15%), professional adrenaline administration was higher in non-peanut food anaphylaxis (34% vs. 26%; p = .003). Hospitalization was higher for peanut anaphylaxis (67% vs. 54%; p = .004). Conclusions The European Anaphylaxis Registry data confirmed peanut as one of the major causes of severe, potentially life-threatening allergic reactions in European children, with some characteristic features e.g., presence of asthma comorbidity and increased rate of biphasic reactions. Usage of intramuscular adrenaline as first-line treatment is low and needs to be improved. The Registry, designed as the largest database on anaphylaxis, allows continuous assessment of this condition

Hemispatialer Neglect und Störungen der Vertikalenwahrnehmung nach Schlaganfall - Neuropsychologische Ergebnisse und Modulation mittels galvanisch vestibulärer Stimulation

Hemispatial neglect is a multimodal syndrome that often follows unilateral right-brain damage. Patients with hemispatial neglect fail to notice or respond to sensory stimuli presented in the contralesional hemispace, which is not caused by primary motor or sensory deficits. Associated disorders often co-occurring with hemispatial neglect are deficits of verticality perception. Patients with those deficits show significant deviations in their subjective visual or haptic vertical away from the objective physical vertical when being asked to indicate whether a stepwise rotatable rod in the frontal plane is vertical, either by seeing the rod (visual modality) or by touching it when blindfolded (haptic modality). Both, hemispatial neglect and disorders of verticality perception are very frequent and strongly related to substantial impairments in daily life. Thus, research on the subserving mechanisms and potential treatment methods is of high significance. Four studies were conducted, first addressing the potential benefits and risks of a new treatment method for patients with hemispatial neglect, and second investigating the multimodality of disorders of verticality perception and their occurrence in different spatial planes (frontal, sagittal). Study 1 to 3 of the present doctoral thesis focus on a potential new treatment technique of hemispatial neglect and related disorders, the so-called galvanic vestibular stimulation (GVS). GVS uses weak direct current delivered via electrodes placed on the mastoids behind the ears. The direct current leads to polarization effects of the vestibular nerves and activations of multisensory vestibular brain areas, which are often lesioned in patients with hemispatial neglect and deficits of verticality perception. In order to obtain a broad overview over the technique of GVS and the available evidence of its potential to modulate different neuropsychological phenomena, in Study 1 the scientific literature on GVS and the related technique of transcranial direct current stimulation (tDCS; electrodes are attached to the skull over the target cortical area) in the field of neuropsychology was reviewed. Both GVS and tDCS over the parietal cortex were proven to be able to modulate neglect and related disorders, with little evidence showing GVS-induced modulation of deficits of verticality perception. Study 2 was concerned with the frequency and intensity of adverse effects during and after GVS in persons with stroke and healthy individuals, recorded via a questionnaire. The results indicate only very few and slight adverse effects like mild itching and tingling underneath the electrodes during and after stimulation in both groups. Hence, GVS was shown to be a suitable and easily applicable technique for modulation with only minimal adverse effects. In Study 3, the question was addressed whether GVS modulates a frequent neglect phenomenon, namely the rightward error in horizontal line bisection. GVS significantly decreased the rightward line bisection error during stimulation in right-brain-damaged patients with but not without neglect in contrast with sham stimulation. Right-cathodal GVS was more effective than left-cathodal GVS. Finally, in Study 4 the subjective verticality judgments in two modalities (visual, haptic) and two spatial planes (frontal, sagittal) of right-brain-damaged patients with neglect, right-brain-damaged patients without neglect and age-matched healthy individuals were investigated using a novel testing device for all these tasks. We observed greater unsigned errors and significant perceptual tilts in the verticality judgments of right-brain-damaged patients with neglect in contrast to the other two groups. Tilts of the neglect patients were directed counterclockwise in the roll plane, and towards the observer in the sagittal plane for both modalities. In summary, the studies presented in this work suggest that GVS is a promising treatment method which is able to modulate neglect phenomena and related disorders and is furthermore well-tolerated by persons with stroke and healthy individuals. The beneficial effects of GVS are most likely induced by activation of surviving remnants of the otherwise lesioned multimodal vestibular brain areas in neglect patients, thereby re-calibrating their disturbed spatial representations. Furthermore the present thesis shows that deficits of verticality perception in neglect patients are multimodal and multispatial in nature. These impairments are presumably due to lesions of temporoparietal cortical regions involved in multisensory integration which leads to a disturbed representation of the vertical.Hemispatialer Neglect ist ein multimodales Syndrom, das häufig nach unilateralen rechtshemisphärischen Hirnschädigungen auftritt. Patienten mit hemispatialem Neglect beachten keine oder reagieren nicht auf sensorische Reize, die im kontraläsionalen Halbraum auftreten. Assoziierte Störungen, die häufig das Neglect-Syndrom begleiten, sind Störungen der Vertikalenwahrnehmung. Davon betroffene Patienten zeigen signifikante Abweichungen von der physikalischen Vertikalen in ihrer subjektiven visuellen oder haptischen Vertikalen. Hierbei müssen die Patienten angeben, wann ein in der Frontalebene schrittweise drehbarer Stab vertikal ist (visuelle Modalität) oder den Stab mit verbunden Augen vertikal ausrichten (haptische Modalität). Beide Störungsbilder kommen häufig vor und gehen mit beträchtlichen Einschränkungen im Alltagsleben einher. Aus diesem Grund ist die Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen und möglicher Behandlungsmethoden der Störungen von hoher Relevanz. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Studien durchgeführt, um einerseits den potentiellen Nutzen und die Risiken einer neuen Behandlungsmethode für hemispatialen Neglect zu erfassen, und andererseits das Vorkommen von Störungen der Vertikalenwahrnehmung in verschiedenen Modalitäten und verschiedenen Raumebenen (frontal, sagittal) zu untersuchen. Studien 1 bis 3 der vorliegenden Dissertation widmen sich einer neuen potentiellen Behandlungsmethode von Patienten mit hemispatialem Neglect und verwandten Störungen, der sogenannten Galvanisch Vestibulären Stimulation (GVS). Hierbei wird Gleichstrom geringer Intensität mittels Elektroden appliziert, welche auf den Mastoiden hinter den Ohren platziert werden. Dies aktiviert multisensorische vestibuläre Hirnareale, welche häufig bei Patienten mit hemispatialem Neglect und Störungen der Vertikalenwahrnehmung geschädigt sind. Um einen breiten Überblick über die Methode der GVS und der vorhandenen Untersuchungen zur Modulation von neuropsychologischen Funktionen mittels dieser Methode zu erhalten, wurde in Studie 1 ein Literaturüberblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zur GVS und der verwandten Technik der Transkraniellen Gleichtstromstimulation (tDCS; Elektroden werden auf dem Schädel, über dem zu stimulierenden Kortexbereich, platziert) im Bereich der Neuropsychologie gegeben. Hierbei stellte sich heraus, dass beide Methoden, GVS und tDCS über dem Parietalkortex, in der Lage sind, Neglect und verwandte Störungen zu modulieren. In Studie 2 wurde die Häufigkeit und Intensität von Nebenwirkungen während und nach GVS bei Personen mit Schlaganfall und gesunden Individuen anhand eines Fragebogens erfasst. Die Befunde zeigen, dass GVS nur zu wenigen und leichten Nebenwirkungen, wie leichtes Jucken und Kribbeln der Haut unter den Elektroden, während und nach der Stimulation in beiden Probandengruppen führte. In Studie 3 wurde untersucht, ob GVS ein häufig vorkommendes Neglectphänomen, nämlich die Rechtsabweichung im horizontalen Linienhalbieren, moduliert. GVS verringerte während der Stimulation die Rechtsabweichung von Patienten mit rechtshemisphärischen Hirnschädigungen mit Neglect, nicht aber die von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten ohne Neglect. Rechts-kathodale GVS war hierbei effektiver als links-kathodale GVS. Schließlich wurde in Studie 4 die Beurteilung der Vertikalen in zwei Modalitäten (visuell, haptisch) und zwei Raumebenen (frontal, sagittal) von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten mit Neglect, ohne Neglect, sowie von altersentsprechenden gesunden Individuen erfasst. Dabei wurde ein neues Untersuchungsgerät eingesetzt, welches für alle Aufgaben verwendet wurde. Wir beobachteten größere ungerichtete Fehler und signifikante Verkippungen in den Vertikalitäts-Urteilen von rechtshemisphärisch geschädigten Patienten mit Neglect im Vergleich zu den anderen beiden Probandengruppen. Die Abweichungen der Neglectpatienten waren in der Frontalebene gegen den Uhrzeigersinn gerichtet und zeigten in der Sagittalebene in Richtung des Beobachters. Dieses Muster wurde in beiden Modalitäten beobachtet. Zusammengefasst legen die hier dargestellten Studien nahe, dass GVS eine vielversprechende Methode zur Modulation von Neglectphänomenen und verwandten Störungen ist und darüber hinaus gut vertragen wird. Die positiven Effekte von GVS bei Neglectpatienten basieren höchstwahrscheinlich auf der Aktivierung erhaltener Bereiche in ansonsten geschädigten multisensorischen vestibulären Hirnbereichen, wodurch gestörte räumliche Repräsentationen rekalibriert werden. Darüber hinaus zeigt die vorliegende Dissertation, dass Störungen der Vertikalenwahrnehmung von Neglectpatienten multimodal sind und in verschiedenen Raumebenen auftreten. Diese Störungen sind vermutlich bedingt durch Läsionen temporo-parietaler Kortexareale, welche an der multisensorischen Integration beteiligt sind und folglich zu gestörten Repräsentationen der Vertikalen führen

Additional file 2: Figure S2. of Proteinase-activated receptor 2 (PAR2) in hepatic stellate cells – evidence for a role in hepatocellular carcinoma growth in vivo

The effect of PAR2-AP on [Ca2+]i mobilisation in LX-2 cells is dose-dependent and can be blocked by the PAR2 antagonist GB 88. A and B) LX-2-wt cells grown on Lab Tek chambered borosilicate cover glass were loaded with fluo-4-AM as outlined in the in Method section. For calcium measurements, an inverted confocal laser scanning microscope LSM 510 was used and fluorescence was monitored at 488 nm. A) Dose-response relationship of PAR2-AP-induced calcium mobilisation. LX-2 cells were stimulated with PAR2-AP for 15 s at indicated concentrations. Data represent the mean ± SD from calcium measurements in 20 individual cells and are representative for 5 independent experiments. B) GB 88 blocks the calcium signal induced by PAR2-AP, but is unable to inhibit the effect of PAR1-AP on [Ca2+]i mobilisation in LX-2 cells. LX-2 cells were preincubated with PAR2 antagonist GB 88 (10 μM) for 1 h and subsequent stimulated with PAR2-AP (10 μM) and PAR1-AP TFLLRN-NH2 (100 μM). The arrows indicate the time of addition of PAR2-AP and PAR1-AP (data are representative for 8 independent experiments). (TIF 19 kb