Cortical excitability in adolescents with depression – An investigation of the TMS-evoked potential N100 as a possible biomarker

Biermann, Lea (2024). Cortical excitability in adolescents with depression – An investigation of the TMS-evoked potential N100 as a possible biomarker. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

This dissertation consists of three previously published articles, in which transcranial magnetic stimulation with simultaneous electroencephalography (TMS-EEG) was used to investigate cortical excitation and inhibition (E/I) in both healthy participants and participants with depressive symptoms. The dissertation aimed to explore the proposed E/I imbalance in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) during depressive episodes, particularly in the critical developmental period of adolescence, and to investigate the TMS-evoked potential N100 as a biomarker for GABA-B-mediated cortical inhibition. Before examining the N100 in a clinical trial, we conducted two methodological studies to determine whether the N100 measures local cortical inhibition of the stimulated area, rather than merely reflecting peripherally evoked multisensory stimulation effects or global cortical properties. To achieve this, we systematically varied the stimulation location within a small spatial area (study 1) and between two spatially and functionally divergent cortical areas (study 2) and evaluated the effect on N100 amplitude, latency and topography. Both studies indicate a dependency of the N100 on the cortical properties of the stimulated area. Therefore, we investigated the N100 in the DLPFC of 36 inpatients (12-18 years) with depressive symptoms in a longitudinal design (study 3). Our data showed higher N100 amplitudes at the pre-intervention time point, at which higher depression scores were also measured, suggesting an E/I imbalance in the DLPFC. The reduction of the N100 after the intervention may reflect a normalization of DLPFC over-inhibition associated with decreased depressive symptomatology, indicating a severity-dependent relationship. This work suggests that the N100 could serve as a potential biomarker for depressive symptoms in adolescence.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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UNSPECIFIED	German

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Abstract

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Diese Dissertation besteht aus drei zuvor veröffentlichten Artikeln, in denen transkranielle Magnetstimulation mit simultaner Elektroenzephalographie (TMS-EEG) verwendet wurde, um die kortikale Erregung und Hemmung (E/I) sowohl bei gesunden Teilnehmenden als auch bei Teilnehmenden mit depressiven Symptomen zu untersuchen. Ziel der Dissertation war es, das zuvor hypothetisierte E/I-Ungleichgewicht im dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) während depressiver Episoden, insbesondere in der kritischen Entwicklungsphase der Adoleszenz, zu erforschen und das TMS-evozierte Potential N100 als Biomarker für GABA-B-vermittelte kortikale Hemmung zu untersuchen. Bevor wir die N100 in einer klinischen Studie untersuchten, führten wir zwei methodische Studien durch, um festzustellen, ob die N100 die lokale kortikale Hemmung des stimulierten Bereichs misst und nicht ausschließlich peripher evozierte multisensorische Stimulationseffekte oder globale kortikale Eigenschaften. Zu diesem Zweck variierten wir systematisch den Stimulationsort innerhalb eines kleinen räumlichen Bereichs (Studie 1) und zwischen zwei räumlich und funktionell divergierenden kortikalen Bereichen (Studie 2) und untersuchten die Auswirkungen auf die N100-Amplitude, die Latenz und die Topographie. Beide Studien deuten auf eine Abhängigkeit der N100 von den kortikalen Eigenschaften des stimulierten Bereichs hin. Daher untersuchten wir die N100 im DLPFC von 36 stationär aufgenommenen Patient:innen (12-18 Jahre) mit depressiven Symptomen in einem Längsschnittdesign (Studie 3). Unsere Daten zeigten höhere N100-Amplituden zum Messzeitpunkt vor der Intervention, zu dem auch höherer Depressionswerte gemessen wurden, was auf ein E/I-Ungleichgewicht im DLPFC schließen lässt. Die Verringerung des N100 nach der Intervention könnte eine Normalisierung der DLPFC-Überinhibition widerspiegeln, die mit einer geringeren depressiven Symptomatik einhergeht, was auf eine vom Schweregrad abhängige Beziehung hindeutet. Diese Arbeit legt nahe, dass die N100 als potenzieller Biomarker für depressive Symptome im Jugendalter dienen könnte.

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