UNIVERSITÄTSKLINIK FÜR NEUROLOGIE

Neurokybernetik und Rehabilitation

Leitung

Privatdozentin Dr. Catherine M. Sweeney-Reed, MBBS, BSc (Hons. Neurowissenschaft), PhD (Kybernetik), MRCGP, DRCOG, DFFP, DCH, DTM&H

Mitarbeiter

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Isabella Barclay, Bachelors student in Medical Sciences (Neuroscience) from the University of Exeter UK on research placement at OVGU:

- Electrophysiological correlates of prospective memory

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Amr Farahat, Research Assistant:

- Deep learning for EEG decoding and automatic feature discovery

- The role of the ventrointermediate nucleus of the thalamus in motor learning using 7T fMRI

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Maxie Heidrich, Masters Student in Integrative Neuroscience:

- The influence of transcranial electrical stimulation on electrophysiological correlates of working memory

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Richard Krauth, Medical doctoral student:

- Corticomuscular coherence as a marker of rehabilitation following acute stroke and its application in evaluating the impact of brain-computer interface and functional electrical stimulation in acute stroke rehabilitation

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Katharina Nikolai, Medical doctoral student:

- Transcranial electrical stimulation of the motor cortex during motor learning

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Franziska Röhner, Medical doctoral student:

- Modulation of working memory using transcranial electrical stimulation: A direct comparison between TACS and TDCS. Stipendium received from OVGU.

Johanna

Johanna Schwertner, Medical doctoral student:

- Application of brain-computer interface and functional electrical stimulation for rehabilitation following acute stroke. Stipendium received from OVGU.

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Clara Terlutter, Medical doctoral student:

- Transcranial electrical stimulation of the cerebellum during motor learning

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Laila Terzic, Medical doctoral student:

- The role of the VIM in motor learning in patients with essential tremor

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Angela Voegtle, Research Assistant:

- The influence of transcranial direct current stimulation on working memory – A behavioral and electrophysiological analysis of single-session and repeated stimulation

Kooperationen

  • Prof. Robert T. Knight (University of California, Berkeley, USA)
  • Prof. Michael D. Rugg (University of Texas, Dallas, USA)
  • Prof. Slawomir J. Nasuto (University of Reading, UK)
  • Prof. Adriano Andrade (Universidade Federal de Uberlandia, Brasilien)
  • Prof. Jose del R. Millan (EPFL, Genf, Schweiz)
  • Dr. Serafeim Perdikis (EPFL, Genf, Schweiz)
  • Ms. Tiffany Corbet  (EPFL, Genf, Schweiz)
  • Prof. Martin Walter (Universität Tübingen, Germany)
  • Dr. Viola Borchardt (University of Oulu, Finnland)
  • Prof. Michael Sailer (Median Klinikum, Flechtingen, Germany)
  • Dr. Sabine Lindquist (Pfeiffersche Stiftungen, Magdeburg, Germany)
  • Dr. Marc Pawlitzki (Universitätskrankenhaus, Münster, Deutschland)

Unsere Forschungsarbeit

Wir wollen unser Verständnis der Informationsverarbeitungsprozesse im Gehirn vertiefen, mit dem Ziel, unsere Erkenntnisse in neuen Ansätzen zur Diagnose, Behandlung und Rehabilitation von neurologischen Erkrankungen umzusetzen. Wir verwenden einen multimodalen Ansatz, der die Analyse elektroenzephalographischer (EEG) und magnetenzephalographischer (MEG) Daten, intrakranieller elektrophysiologischer Signale und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) sowie die verhaltensbezogenen, klinischen und elektrophysiologischen Effekte der tiefen und transkraniellen Hirnstimulation und die Anwendung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (brain-computer interfaces [BCIs]) beinhaltet. 

Die Modulation der neuronalen Verarbeitung durch elektrische Hirnstimulation ermöglicht es, die kausale Rolle der neuronalen Korrelate der Kognition zu bewerten sowie die Verhaltensleistung potenziell zu verbessern und Krankheiten zu behandeln. Die Tiefenhirnstimulation (DBS) ist eine etablierte Behandlung für essentiellen Tremor und gewinnt auch als Therapie der pharmakoresistenten fokalen Epilepsie an Bedeutung. Wir hatten die seltene Gelegenheit zur Aufzeichnung der intrakraniellen elektrischen Hirnaktivität aus den vorderen und dorsomedialen Thalamuskernen (ATN, DMTN) von Patienten, die Tiefenhirnstimulation im vorderen Thalamuskern (ATN-DBS) zur Behandlung von Epilepsie erhielten. Wir konnten eine aktive Verarbeitungsrolle des ATN bei der menschlichen episodischen Gedächtnisbildung nachweisen. Darüber hinaus zeigte die Schwingungsleistung im Theta-Frequenzbereich, ob eine Erinnerung für ein nachfolgendes Ereignis erfolgreich gebildet werden würde, und es wurden auch neuronale Korrelate der Gedächtnisbildung im vorderen Thalamuskern und frontalen Kortex vorhergesagt. Wir erkannten auch interaktive epileptische Entladungen in den vorderen und dorsomedialen Thalamuskernen, was die Hypothese unterstützt, dass beide an der Ausbreitung der fokalen epileptischen Aktivität beteiligt sind.

In den letzten Jahren hat die transkranielle elektrische Hirnstimulation als Mittel zur Verbesserung des Arbeitsgedächtnisses zunehmend Interesse geweckt. Sowohl die transkranielle Gleichstromstimulation (transcranial direct current stimulation [tDCS]) als auch die transkranielle Wechselstromstimulation (transcranial alternating current stimulation [tACS]) wurden untersucht. Ein direkter Vergleich der Methoden aus der Literatur ist aufgrund der vielfältigen Studienparadigmen und -parameter schwierig. Wir unternehmen einen direkten Vergleich dieser Ansätze und halten so viele Parameter wie möglich konstant unter Berücksichtigung der grundlegenden Unterschiede zwischen den Methoden. Wir untersuchen auch die Auswirkungen der Anwendung von tDCS in mehreren Behandlungsterminen. Darüber hinaus untersuchen wir zurzeit die Auswirkungen der Modulation des motorischen Sequenzerlernens durch TDCS auf das Kleinhirn und den motorischen Kortex und DBS auf den ventromedialen Thalamuskern, sowohl auf Verhaltensmessungen als auch auf elektrophysiologische Korrelate. Diese Studien zum motorischen Lernen sind Teil eines Projekts, das die Auswirkungen von DBS als Methode zur Behandlung des essentiellen Tremors untersucht. Wir verwenden hochauflösende 7T fMRT und 3T strukturelle MRT, um festzustellen, ob der ventromediale Thalamuskern (nucleus ventralis intermedius [VIM]) separate Subregionen hat, die am motorischen Lernen und Tremor beteiligt sind. Zusätzlich untersuchen wir die neuronalen Korrelate des prospektiven Gedächtnisses und planen, diese Arbeit auf die Fragestellung auszuweiten, ob die Leistung durch transkranielle elektrische Stimulation moduliert werden kann.

Gehirn-Computer-Schnittstellen (brain-computer interfaces [BCIs]) ermöglichen die direkte Kontrolle externer Geräte durch Gehirnaktivität, mit potenzieller Anwendung in der Rehabilitation, wenn die funktionelle Konnektivität zwischen Gehirn und Muskulatur beeinträchtigt ist oder fehlt, wie beispielsweise nach einem Schlaganfall. Die BCI-gesteuerte funktionelle elektrische Stimulation der Armmuskulatur als Rehabilitationstherapie für Patienten mit chronischem Schlaganfall verbessert nachweislich die Armbeweglichkeit, vermutlich durch die Erleichterung der Wiederherstellung der funktionellen Konnektivität zwischen Gehirn und Muskulatur. Zurzeit untersuchen wir diesen Ansatz in der akuten und subakuten Phase nach einem Schlaganfall – die neuronale Plastizität gilt als erhöht in diesem Zeitraum.

Intrakranielle elektrophysiologische Aufzeichnungen des menschlichen Thalamus.

Abbildung: Intrakranielle elektrophysiologische Aufzeichnungen des menschlichen Thalamus. (A) Interiktale epileptiforme Entladungen (interictal epileptiform discharges [IEDs]) vom vorderen Thalamuskern (anterior thalamic nucleus [ATN]). (B) Interiktale epileptiforme Entladungen (IEDs) vom dorsomedialen Thalamuskern (dorsomedial thalamic nucleus [DMTN]) (Sweeney-Reed et al., J. Neurol., 2016). (C) Abbildung der intrakraniellen Elektrodenposition. Die beiden dorsalsten rechtsseitigen Kontakte im vorderen Thalamuskern (anterior thalamic nucleus [ATN]) werden überlagert auf dem präoperativen strukturellen MRT-Scan: koronale Ansicht. Einsatzbild: sagittale Ansicht. (D) Gedächtniskodierungsparadigma (E) Die Thetaleistung im rechten dorsomedialen Thalamuskern war höher vor erfolgreicher Erinnerungsbildung als vor erfolgloser Erinnerungsbildung (p = 0,012) (Sweeney-Reed et al., NeuroImage, 2016).

Ausgewählte Publikationen

Farahat A, Reichert C, Sweeney-Reed CM, Hinrichs H. (2019). Convolutional neural networks for decoding of covert attention focus and saliency maps for EEG feature visualization. Journal of Neural Engineering. (In press.) doi: 10.1088/1741-2552/ab3bb4. IF 2019: 4.551. 21 July, 2019

Buentjen L, Kupsch A, Galazky I, Frantsev R, Heinze HJ, Voges J, Hausmann J, Sweeney-Reed, CM. (2019).Long-term outcomes of semi-implantable functional electrical stimulation for central drop foot.Journal of Neuroengineering and Rehabilitation.16(1):72. doi: 10.1186/s12984-019-0542-8. IF 2017: 3.865. 11 June, 2019

Galazky I, Kaufmann J, Voges J, Heinze H-J, Hinrichs H, Sweeney-Reed CM. (Electronic publication ahead of print: 2019). Neuronal spiking in the pedunculopontine nucleus in progressive supranuclear palsy and in idiopathic Parkinson’s disease. J Neurol. IF 2017: 3.783. doi: 10.1007/s00415-019-09396-9. 21 May, 2019

Eick C, Ahmadi K, Sweeney-Reed CM, Hoffmann M. (2019). Interocular transfer of visual memory - influence of visual impairment and abnormalities of the optic chiasm. Neuropsychologia. 129: 171-8. doi: 10.1016/j.neuropsychologia.2019.03.018. IF 2017: 2.888. 2 Apr., 2019

Krauth R, Schwertner J, Vogt S, Lindquist S, Sailer M, Sickert A, Lamprecht J, Perdikis S, Corbet T, Millán JdR, Hinrichs H, Heinze H-J, Sweeney-Reed CM. (2019). Cortico-muscular coherence is reduced acutely post-stroke and increases bilaterally during motor recovery. Frontiers in Neurology. 10: 126.

Kizilirmak J, Schott B, Thuerich H, Sweeney-Reed CM, Richter A, Folta-Schoofs K, Richardson-Klavehn A. (2019). Learning of novel semantic relationships via sudden comprehension is associated with a hippocampus-independent network. Consciousness and Cognition. 69: 113-132.

Pawlitzki M, Sweeney-Reed CM, Bittner D, Lux A, Vielhaber S, Schreiber S, Friedemann P, Neumann J. (2018). CSF-Progranulin and Neurofilament light chain levels in patients with radiologically isolated syndrome - sign of inflammation. Frontiers in Neurology.12: 761.

Pawlitzki M, Sweeney-Reed CM, Meuth SG, Reinhold D, Neumann J. (2018). CSF macrophage migration inhibitory factor levels did not predict steroid treatment response after optic neuritis in patients with multiple sclerosis. PLoSone. 13(11): e0207726.

Röhner F, Breitling C, Rufener KS, Heinze H-J, Hinrichs H, Krauel K, Sweeney-Reed CM. (2018). Modulation of working memory using transcranial electrical stimulation: a direct comparison between TACS and TDCS.  Front. Neurosci. 12: 761.

Liebe T, Li M, Colic L, Munk MHJ, Sweeney-Reed CM, Woelfer M, Kretzschmar MA, Steiner J, von Düring F, Behnisch G, Schott BH, Walter M. (2018). Ketamine influences the locus coeruleus norepinephrine network, with a dependency on norepinephrine transporter genotype – a placebo controlled fMRI study. Neuroimage Clin. 20: 715-23.

Pawlitzki M, Übelhör J, Sweeney-Reed CM, Stephanik H, Hoffmann J, Lux A, Reinhold D. (2018). Lower serum zinc levels in patients with multiple sclerosis compared to healthy controls. Nutrients: 10(967): 1-9.

Sweeney-Reed CM, Nasuto SJ, Vieira M, Andrade AO. (2018). Empirical mode decomposition and its extensions applied to EEG analysis: a review. Advances in Data Science and Adaptive Analysis: 10(2): 1840001.

Borchardt V, Surova G, van der Meer J, Bola M, Frommer J, Leutritz AL, Sweeney-Reed CM, Buchheim A, Strauß B, Nolte, T, Olbrich, S, Walter, M. (2018). Exposure to attachment narratives dynamically modulates cortical arousal during the resting state in the listener. Brain and Behavior. 8(7): e01007.

Liebe T, Li S, Lord A, Colic L, Krause AL, Batra A, Kretzschmar MA, Sweeney-Reed CM, Behnisch G, Schott BH, Walter M. (2017). Factors influencing the cardiovascular response to subanesthetic ketamine: a randomized, placebo-controlled trial. Int J Neuropsychopharmacol. 20(11): 909-18.

Sailer M, Sweeney-Reed CM, Lamprecht, J. (2017). Roboter- und gerätegestützte Rehabilitation der oberen Extremität. Akt Neurol. 44(08): 555-60.

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Kopitzki K, Oldag A, Sweeney-Reed CM, Machts J, Veit M, Kaufmann J, Hinrichs H, Heinze HJ, Kollewe K, Petri S, Mohammadi B, Dengler R, Kupsch AR, Vielhaber S. (2016). Interhemispheric connectivity in amyotrophic lateral sclerosis: A near-infrared spectroscopy and diffusion tensor imaging study. Neuroimage Clin. 29(12): 666-72.

Oldag A, Neumann J, Goertler M, Hinrichs H, Heinze H-J, Sweeney-Reed CM, Kopitzki K. (2016). Near infrared spectroscopy and transcranial sonography to evaluate cerebral autoregulation in middle cerebral artery steno-occlusive disease. J. Neurol. 263(11): 2296-301.

Sweeney-Reed CM, Lee H, Rampp S, Zaehle T, Buentjen L., Voges J, Holtkamp M, Hinrichs H, Heinze H-J, Schmitt FC (2016). Thalamic interictal epileptiform discharges in deep brain stimulated epilepsy patients. J. Neurol. 263(10): 2120-6.

Sweeney-Reed CM, Zaehle T, Voges J, Schmitt F, Buentjen L, Kopitzki K, Richardson-Klavehn A, Hinrichs H, Heinze H-J, Knight RT, Rugg MD (2016). Pre-stimulus thalamic theta power predicts human memory formation. Neuroimage 138: 100–108.

Sweeney-Reed CM, Zaehle T, Voges J, Schmitt FC, Buentjen L, Kopitzki K, Richardson-Klavehn A, Hinrichs H, Heinze H-J, Knight RT, Rugg MD. (2016). Neuropsychological profile and pre-stimulus dorsomedial thalamic nucleus theta power associated with successful memory formation in deep brain stimulation patients. Data Br. 8: 557–561.

Borchardt V, Krause AL, Li M, van Tol MJ, Demenescu LR, Buchheim A, Metzger CD, Sweeney-Reed CM, Nolte T, Lord AR,Walter M. (2015).Dynamic disconnection of the supplementary motor area after processing of dismissive biographic narratives. Brain Behav.5(10): e00377.

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Körtvélyessy, P., Gukasjan, A., Sweeney-Reed, C.M., Heinze, H.-J., Thurner, L., Bittner, D.M. (2015). Progranulin and amyloid-β Levels: relationship to neuropsychology in frontotemporal and Alzheimer’s Disease. Journal of Alzheimer's Disease. 46(2): 375-80.

Sweeney-Reed CM, Zaehle T, Voges J, Schmitt FC, Buentjen L, Kopitzki K, Hinrichs H, Heinze H-J, Rugg MD, Knight RT, Richardson-Klavehn A.  (2015). Thalamic theta phase alignment predicts human memory formation and anterior thalamic cross-frequency coupling. eLife 4: e07578.

Sweeney-Reed CM, Zaehle T, Voges J, Schmitt FC, Buentjen L, Kopitzki K, Esslinger C, Hinrichs H, Heinze H-J, Knight RT, Richardson-Klavehn A. (2014). Corticothalamic phase synchrony and cross-frequency coupling predict human memory formation. eLife 3: e05352.

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Letzte Änderung: 22.08.2019 - Ansprechpartner:

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