The locus coeruleus : the central relay between neuronal network activation and sympathetic responses in cognitive control

Köhler, Stefanie GND

The ability of humans to integrate different body processes is most important for survival. The neuro-visceral integration model suggests that both cognitions and emotions are regulated by superior brain systems also involved in the regulation of autonomic function. Therefore, cognitive performance and affective processing is closely linked to autonomic responses. In order to improve the understanding of human behavior and associated dysfunctions, we need to acquire a better understanding of the interplay between the central nervous system (CNS) and peripheral autonomic nervous system (ANS) in cognitive control. A pivotal role of the noradrenergic neurotransmitter system in cognitive control has been suggested. In the present thesis, functional fMRI was used to expand our knowledge of the brain body interaction in cognitive control with the locus coeruleus (LC), which is the main production site of noradrenaline in the brain, as central relay nucleus. Broad functional connections of the LC to cortical and subcortical regions predominantly involved in executive function were found. The paramount importance of the LC in cognitive control was emphasized by an increase of its activation proportional to the increase of cognitive load. In patients with schizophrenia, this relation was absent indicating a deficient role of the LC-noradrenergic system. Furthermore, LC BOLD activation was associated with pupillary dilation which supports the interpretation of the LC playing a pivotal role in controlling sympathetic autonomic function. With these findings, I was able to link the cognitive control network to the sympathetic nervous system with the LC as central relay nucleus. Thus, the present thesis contributes to an extension of the current state-of-the-art in neuropsychology.

Die Fähigkeit des menschlichen Körpers verschiedenste Prozesse zu integrieren garantiert das Überleben. Das Neuroviszerale Integrationsmodell geht davon aus, dass Kognitionen sowie Emotionen von übergeordneten kortikalen Netzwerken reguliert werden, die ebenfalls für die Regulation unseres autonomen Nervensystems zuständig sind. Demzufolge sind die kognitive Leistungsfähigkeit sowie affektive Verarbeitungsprozesse sehr eng mit Reaktionen des sympathischen und parasympathischen Nervensystems assoziiert. Das bessere Verständnis der Interaktion zwischen dem zentralen und peripher autonomen Nervensystem ist essentiell, um menschliches Verhalten sowie daraus resultierende Dysfunktionen einordnen und behandeln zu können. In Zusammenhang mit kognitiven Kontrollprozessen hebt die aktuelle Studienlage zunehmend die besondere Rolle des Neurotransmitters Noradrenalin hervor. Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie wurde in der vorliegenden Dissertation eine Erweiterung des Verständnisses der wechselseitigen Beziehung zwischen dem zentralen und autonomen Nervensystem während kognitiver Kontrollprozesse untersucht. Der Locus coeruleus (LC), der den Hauptlieferanten von Noradrenalin im Gehirn darstellt, wurde als zentrale Umschaltstruktur angenommen. Weit verzweigte funktionelle Konnektivitäten des LC zu kortikalen und subkortikalen Strukturen des kognitiven Kontrollnetzwerks konnten identifiziert werden. Die enorme Wichtigkeit des LC bei der Bearbeitung kognitiver Aufgaben wurde durch den proportionalen Anstiegt dessen Aktivierung mit kognitiver Anstrengung bestärkt. Bei an Schizophrenie erkrankten Patienten wurde dieser Zusammenhang nicht gefunden. Dies weist auf eine abnorme Funktionsweise des noradrenergen Hirnstammkerns bei diesem Störungsbild hin. Ein weiterer wichtiger Befund war die Korrelation von LC BOLD Aktivierung und Pupillenweite. Dies bestärkt die Interpretation, dass der LC eine zentrale Rolle in der Kontrolle des sympathischen Nervensystems einnimmt. Mit der vorliegenden Dissertation war es möglich das kognitive Kontrollnetzwerk mit dem sympathischen Nervensystem zu verlinken, wobei der Locus coeruleus eine zentrale Umschaltstelle darstellt. Ein wichtiger Beitrag zu den aktuellen Kenntnissen der Neuropsychologie konnte geleistet werden.

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Köhler, Stefanie: The locus coeruleus. the central relay between neuronal network activation and sympathetic responses in cognitive control. Jena 2019.

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