Universität zu Köln

Hams, Leonie ORCID: 0000-0002-2639-0559 (2024). Functional Reorganization of the Somatosensory System in Degenerative Cervical Myelopathy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Background: Degenerative cervical myelopathy (DCM) is the most common cause of spinal cord dysfunction in adults and shows growing prevalence due to demographic trends. Nevertheless, the surgical decision-making is still challenging due to the lack of sufficiently reliable predictors of disease progression and surgical outcome. Recently, the compensatory potential of reorganization processes within the cerebrospinal motor network has been discussed. Somatosensory impairment as an early but often overlooked symptom of DCM, however, was not in the main focus of research so far. In this thesis, the functional adaptation of the somatosensory system in DCM patients was investigated using blood oxygenation level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI). Materials and Methods: 18 right-handed participants, including 9 DCM patients (age 56 ± 12 years, 7 male) and 9 age- and gender-matched healthy control subjects (age 57 ± 12 years, 7 male) underwent a block design fMRI (3 Tesla) session. The fMRI procedure consisted of alternating, passive somatosensory stimulation of the subjects' dorsal hands and feet using a wooden stick with a felt tip. By means of MATLAB® 2019a and the SPM12 software package, a region of interest (ROI)-wise analysis of BOLD-response was performed at the group level using a three-way analysis of variance (ANOVA), including the factors “group” (patients/controls), “limb” (hand/foot) and “side” (left/right). Functional hemispheric lateralization was assessed by calculating lateralization indices for individual ROIs. Furthermore, a comprehensive clinical assessment including clinical tests and scores, neurological examination, and somatosensory evoked potentials (SSEPs) of the tibial nerve was performed. An SPM multiple regression analysis was performed to determine correlations between BOLD signal change and clinical impairment. Results: Both, patients and controls featured a strongly left-lateralized cortical response in S1 and S2 (p≤0.05, family-wise error (FWE)-corrected) regarding the somatosensory stimulation of the right (dominant) hand. However, activation in patients was lower than in control subjects (p≤0.001, uncorrected). Regarding the other task conditions, controls showed significant responses within the somatosensory cortex (p≤0.05, FWE-corrected) including a consistent activation within the ipsilateral S2. In contrast, patients showed only weak activation in S1 (p≤0.001, uncorrected) and a much scarcer involvement of ipsilateral areas. Regarding hemispheric lateralization, no significant differences were found between DCM patients and healthy controls. Multiple regression analysis provided first evidence of less BOLD activation in the somatosensory cortex in more clinically impaired patients. Conclusion: In summary, the results showed a reduced cortical responsiveness to peripheral stimuli in DCM patients, whereby the cortical representation of the right (preferred) hand appeared to be more robust to deviations due to DCM than the representations of the other tested extremities. Overall, degenerative processes with respect to somatosensory function appeared to predominate in the patient collective studied, which differs from reported evidence of compensatory mechanisms within the motor system. It remains to be investigated based on longitudinal data to what extent clinical impairment and reduced BOLD responses may be reversible after surgical decompression.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Funktionelle Reorganisation des somatosensiblen Systems bei Patienten mit degenerativer zervikaler Myelopathie German
Translated abstract:	Abstract Language Hintergrund: Die degenerative zervikale Myelopathie (DCM) ist die häufigste Ursache erwor-bener Rückenmarksschäden im Erwachsenenalter und ihre Prävalenz steigt infolge der demo-graphischen Entwicklung. Allerdings ist die Entscheidung über die Operationsindikation noch immer eine Herausforderung, da ausreichend reliable Prädiktoren für den klinischen Spontanverlauf und das Outcome fehlen. Unlängst wurde ein kompensatorisches Potential durch Neuroplastizität innerhalb des zerebrospinalen motorischen Netzwerks diskutiert. Somatosensible Einschränkungen als frühes, wenn auch häufig unbeachtetes Symptom der DCM waren bisher nicht im Mittelpunkt der Forschung. In vorliegender Arbeit wurde die Anpassung des somatosensiblen Systems bei DCM-Patienten mittels blood oxygenation level dependent (BOLD) funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersucht. Material und Methoden: 18 rechtshändige Teilnehmer, darunter 9 DCM-Patienten (Alter 56 ± 12 Jahre, 7 männlich) und 9 Kontrollen (Alter 57 ± 12 Jahre, 7 männlich) entsprechenden Alters und Geschlechts nahmen an einer fMRT-Untersuchung (3 Tesla) mit Block-Design teil. Das fMRT-Protokoll bestand aus alternierender, passiver somatosensibler Stimulation der Hand- und Fußrücken mit einem Filzstab. Mithilfe von MATLAB® 2019a und dem SPM12 Soft-ware Paket erfolgte eine Region of Interest (ROI)-weise Analyse der BOLD-Antwort auf Grup-pen-Ebene durch eine dreifaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit den Faktoren „Gruppe“ (Patienten/Kontrollen), „Extremität“ (Hand/Fuß) und „Seite“ (links/rechts). Die funktionelle hemisphärische Lateralisierung wurde durch Berechnung ROI-spezifischer Lateralisierungsin-dices untersucht. Ergänzend erfolgte eine umfassende klinische Beurteilung einschließlich kli-nischer Tests und Scores, neurologischer Untersuchung und somatosensibel evozierter Potentiale (SSEPs) des Nervus tibialis. Korrelationen zwischen BOLD-Aktivierung und klini-scher Beeinträchtigung wurden mittels SPM-Multipler-Regressionsanalyse untersucht. Ergebnisse: Sowohl Patienten als auch Kontrollen zeigten bei somatosensibler Stimulation der rechten (dominanten) Hand eine stark links-lateralisierte kortikale Antwort in S1 und S2 (p≤0,05, family-wise error (FWE)-korrigiert). Die Aktivierung war bei Patienten verglichen mit Kontrollen reduziert (p≤0,001, unkorrigiert). Für die anderen Tasks wiesen Kontrollen signifi-kante Antworten im somatosensiblen Kortex auf (p≤0,05, FWE-korrigiert); insbesondere eine konsistente Aktivierung im ipsilateralen S2. Im Gegensatz dazu ergab sich für die Patienten nur eine schwache Aktivierung in S1 (p≤0,001, unkorrigiert) sowie eine deutlich unbeständi-gere Beteiligung ipsilateraler Areale. Bezüglich der hemisphärischen Lateralisierung fanden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen DCM-Patienten und Kontrollen. Die multiple Regressionsanalyse lieferte erste Hinweise in Richtung einer geringeren BOLD-Aktivierung im somatosensiblen Kortex bei stärker klinisch beeinträchtigten Patienten. Schlussfolgerung: Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse bei DCM-Patienten eine reduzierte kortikale Antwort auf periphere Stimuli, wobei die kortikale Repräsentation der rechten (dominanten) Hand robuster gegen Abweichungen durch die DCM zu sein schien als die Repräsentationen der anderen getesteten Extremitäten. Insgesamt schienen degenerative Prozesse hinsichtlich der somatosensiblen Funktion im untersuchten Patientenkollektiv vorzuherrschen, abweichend von berichteten Kompensationsmechanismen im Bereich des motorischen Systems. Auf Basis longitudinaler Daten bleibt zu untersuchen, inwieweit klinische Beeinträchtigungen und reduzierte BOLD-Antworten sich nach einer operativen Dekompression reversibel zeigen können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hams, Leonie UNSPECIFIED orcid.org/0000-0002-2639-0559 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-721459
Date:	2024
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Neurochirurgie > Klinik für Allgemeine Neurochirurgie
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language degenerative cervical myelopathy English myelopathy English cervical spinal stenosis English functional magnetic resonance imaging English somatosensory evoked potentials English functional reorganization English somatosensory network English somatosensory system English neural plasticity English network plasticity English neural adaptation English network adaptation English cortical reorganization English cortical adaption English cervical spondylotic myelopathy English task fMRI English fMRI English DCM English CSS English CSM English BOLD English Degenerative zervikale Myelopathie German Myelopathie German zervikale Spinalkanalstenose German funktionelle Magnetresonanztomographie German somatosensibel evozierte Potentiale German funktionelle Reorganisation German Netzwerk-Reorganisation German somatosensibles Netzwerk German somatosensibles System German Neuroplastizität German kortikale Reorganisation German Kortex-Reorganisation German fMRT German sSEPs German SEPs English
Date of oral exam:	18 December 2023
Referee:	Name Academic Title Weiß Lucas, Carolin Priv.-Doz. Dr. med. Sommerauer, Michael Bernhard Priv.-Doz. Dr. med.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72145