Ebert, Bernd Martin

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KurzzusammenfassungSynchronisation ist ein universelles Phänomen, welches in Systemen von zwei odermehr gekoppelten Oszillatoren beobachtbar ist, und spielt eine wichtige Rolle in vie-len Spezialgebieten der Physik. Synchronisationsphänomene treten auch in biologi-schen Systemen und insbesondere im Gehirn, welches als System puls-gekoppelterOszillatoren approximiert werden kann, auf. Die Synchronisation neuronaler Popu-lationen ist eine fundamentale Eigenschaft für die Funktion und Dysfunktion desmenschlichen Gehirns. Ein spezielles Beispiel dafür ist das Auftreten des Ruhetre-mors bei der Parkinson’schen Krankheit, welcher mit der abnormalen Synchronisati-on spezieller Hirnareale zusammenhängt. Diese Areale sind für die Kontrolle spon-taner Bewegungen relevant. Mehrere neue Techniken wurden entwickelt, um dieserpathologischen Synchronisation entgegenzuwirken. Eine sehr vielversprechende da-von ist die sogenannte Coordinated Reset (CR) Stimulation, welche mittels tief indas menschliche Gehirn implantierter Elektroden appliziert wird. Um zu einem tiefe-ren Verständnis der Wirkungsweise dieser Technik beizutragen, wurde der top-downAnsatz vorhergehender Modelluntersuchungen fortgeführt und ein großangelegtesnumerisches Modell der betreffenden Hirnstrukturen entwickelt. Dieses Modell setztsich aus einem neuronalen Netzwerk von 2·104 simulierten Neuronen zusammenund berücksichtigt die räumliche anatomische Struktur der modellierten Hirnareale.Mithilfe dieses Modells ist es möglich, sowohl den pathologischen Zustand synchro-ner neuronaler Aktivität als auch den physiologischen Zustand desynchroner Akti-vität nachzubilden. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie das Modellsystem durchStörung mittels elektrischer CR Stimulation der Neuronen dauerhaft vom patholo-gischen in den physiologischen Zustand überführt werden kann. Es wurden unter-schiedliche Arten der elektrischen Stimulation betrachtet und deren jeweilige Wir-kung hinsichtlich ihrer desynchronisierenden Effekte analysiert. Dabei wurde derEinfluss spezifischer Randbedingungen und Stimulationsparameter auf die Stimula-tionswirkung einbezogen. Weitere theoretische Untersuchungen sind notwendig, umdie experimentell beobachteten Effekte der CR Stimulation erklären zu können. Des-sen ungeachtet kann das in dieser Arbeit vorgestellte Modell als nächster Schrittin Richtung eines biophysikalisch realistischen Modells der für das Auftreten patho-logischer Aktivität wichtigen Hirnareale gesehen werden und besitzt das Potential,zu einer Optimierung der für die elektrische CR Stimulation relevanten Parameterbeizutragen.3AbstractSynchronization is a universal phenomenon, which can be observed in systems oftwo or more coupled oscillators and plays an important role in many different subdo-mains of physics. Synchronization phenomena also exist in biological systems and inparticular in the brain, which can be considered as a system of pulse-coupled oscil-lators (neurons). Synchronization of populations of neurons is a fundamental prop-erty for the function and dysfunction of the human brain. One particular exampleis the occurrence of resting tremor in Parkinson’s disease (PD), which is associatedwith abnormal synchronization phenomena in specific brain areas. These brain struc-tures are important for voluntary movement control. Several new techniques havebeen developed in order to counteract pathological synchronization in the brain. Avery promising technique is the so called coordinated reset (CR) stimulation, whichis administered via electrodes that are deeply implanted within the human brain. Inorder to get a deeper understanding of this technique, we continued the top-down ap-proach of previous studies and constructed a large-scale computational model of therespective brain areas. Our model considered the spatial anatomical properties of thesimulated brain structures and incorporated a detailed numerical representation ofthe 2·104 simulated neurons. We were able to model the physiological and patholog-ical activity of the considered brain structures. Ultimately, we investigated how themodel system could be shifted from strongly synchronized (pathological) activity tostrongly desynchronized (healthy) activity of the neuronal populations via externalperturbation in form of electrical stimulation. We considered different types of stim-ulation techniques and analyzed their efficacy in restoring desynchronized neuronalactivity. Furthermore, we investigated the impact of specific stimulation parameterson the stimulation outcome. For this purpose, we developed a new method whichallowed for the estimation of the distribution of synchronized activity in a spatialvolume. Although further research is required in order to provide theoretical expla-nations for experimentally found observations in the application of CR stimulation,our model can be considered as the next step to a biophysical realistic model of therespective brain areas important for the occurrence of pathological neuronal activityin PD. Furthermore, our model has the potential to serve as an useful tool in order tooptimize the parameters relevant for electrical CR stimulation.5

Control of synchronization via electrical stimulation in a large-scale neuronal network model

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