Tourette Syndrome: Electrophysiological Insights and Prospects for Deep Brain Stimulation

Wehmeyer, Laura ORCID: 0000-0003-0280-6756 (2024). Tourette Syndrome: Electrophysiological Insights and Prospects for Deep Brain Stimulation. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Tourette syndrome (TS) is a neurodevelopmental disorder characterized by the presence of motor and vocal tics. The underlying pathophysiology of TS remains incompletely understood. Cognitive alterations in TS and their neural correlates can provide valuable insights into the clinical features and underlying pathophysiology. Deep Brain Stimulation (DBS) emerges a promising treatment avenue for patients with treatment-refractory TS. However, optimal DBS target selection remains controversial due to unclear differences in target-specific clinical effects and mechanisms of action. The primary objective of this dissertation was to conduct an extensive electrophysiological investigation into cognitive processes potentially contributing to tic occurrence. Using the task switching paradigm, various cognitive processes were examined, unraveling the complex cognitive foundations of TS and their neurophysiological correlates. While cognitive control and perceptual binding processes appear unchanged, individuals with TS exhibit significant alterations in the neural processes underlying perception-action binding. This highlights the pivotal role of the interplay between perceptual processes, such as the premonitory urge, and motor actions, such as tics, in understanding tic occurrence. The secondary objective focused on evaluating the efficacy of DBS in TS and systematically comparing target-specific clinical effects through a systematic review and meta-analysis. The findings reveal that DBS is generally an effective therapeutic option for TS, with pallidal DBS yielding the highest rates of improvement when compared to thalamic DBS. However, these results do not favor one target over another. Instead, they emphasize that no single DBS target can address the heterogeneous phenotypes and comorbidities in TS. Thus, personalized DBS target selection tailored to each patient's specific symptoms and characteristics becomes essential. Achieving this personalized precision approach requires a deeper understanding of biomarkers related to the underlying neurophysiological mechanisms driving tics in TS. This dissertation extensively discusses potential biomarkers for neuromodulation, encompassing neural mechanisms related to urges, perception-action binding, tic initiation, and tic control. In conclusion, this dissertation represents a crucial step towards an advanced comprehension of TS pathophysiology and the applications of DBS, thereby illuminating the path towards personalized stimulation-based treatment strategies, underlining the need for further research.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Tourette-Syndrom: Elektrophysiologische Erkenntnisse und Ausblicke für die Tiefen Hirnstimulation	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Tourette-Syndrom (TS) ist eine neuropsychiatrische Erkrankung, die sich durch vokale und motorische Tics kennzeichnet. Die zugrunde liegende Pathophysiologie des TS ist unvollständig verstanden. Kognitive Veränderungen im TS und deren neuronale Korrelate können wertvolle Einblicke in die zugrunde liegende Pathophysiologie bieten. Die Tiefenhirnstimulation (THS) ist ein vielversprechender Behandlungsweg für Patienten mit refraktärem TS. Die optimale Auswahl der THS-Zielregion ist jedoch aufgrund unklarer Unterschiede der zielbezogenen klinischen Effekten und Wirkmechanismen umstritten. Das primäre Ziel war eine umfassende elektrophysiologische Untersuchung kognitiver Prozesse, die möglicherweise zur Tic Entstehung beitragen. Unter Verwendung des „Task Switching“-Paradigmas wurden verschiedene kognitive Prozesse untersucht, um die komplexen kognitiven Grundlagen des TS und deren neurophysiologische Korrelate zu verstehen. Während kognitive Kontrollprozesse sowie Prozesse zur Kopplung von Perzeptionen unverändert erschienen, zeigten Patienten deutlich veränderte neuronale Prozesse, die der Bindung von Perzeption und Handlung (engl. Perception-action binding) zugrunde liegen. Dies unterstreicht die Schlüsselrolle des Zusammenspiels zwischen Perzeptionen wie dem Vorgefühl und motorischen Handlungen wie den Tics im TS. Das sekundäre Ziel bestand darin, die Wirksamkeit der THS im TS zu bewerten und zielbezogene klinische Effekte mit Hilfe einer systematischen Übersicht und Meta-analyse zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die THS im Allgemeinen eine wirksame therapeutische Option für TS ist, wobei die pallidale im Vergleich zur thalamischen THS höhere Verbesserungsraten aufweist. Diese Ergebnisse sprechen jedoch nicht für die Bevorzugung eine Zielregion gegenüber einer anderen. Vielmehr betonen sie, dass keine einzelne THS-Zielregion der Heterogenität im TS gerecht werden kann. Daher ist die personalisierte Auswahl der THS-Zielregion, basierend auf den spezifischen Symptomen und Merkmalen jedes Patienten, unerlässlich. Um diesen personalisierten Präzisionsansatz zu verwirklichen, ist ein tieferes Verständnis von Biomarkern der den Tics zugrunde liegenden pathologischen neurophysiologischen Mechanismen erforderlich. In dieser Dissertation werden potenzielle Biomarker für die gezielte Neuromodulation ausführlich erörtert. Zusammenfassend stellt diese Dissertation einen entscheidenden Schritt für ein fortgeschrittenen Verständnisses der Pathophysiologie des TS und der Möglichkeiten der THS dar. Sie weist den Weg zu personalisierten, stimulationsbasierten Behandlungsstrategien und unterstreicht den Bedarf an weiterer Forschung.

German

Creators:

Creators	Email	ORCID	ORCID Put Code
Wehmeyer, Laura	laura-5@gmx.de	orcid.org/0000-0003-0280-6756	UNSPECIFIED

Corporate Creators:

Department of Stereotactic and Functional Neurosurgery, Faculty of Medicine and University Hospital Cologne, University of Cologne, 50937 Cologne, Germany

URN:

urn:nbn:de:hbz:38-731433

Date:

2024

Language:

English

Faculty:

Faculty of Medicine

Divisions:

Faculty of Medicine > Neurochirurgie > Klinik für Stereotaxie und funktionelle Neurochirurgie

Subjects:

Medical sciences Medicine