Intermittent spike-wave dynamics in a heterogeneous, spatially extended neural mass model

Generalised epileptic seizures are frequently accompanied by sudden, reversible transitions from low amplitude, irregular background activity to high amplitude, regular spike-wave discharges (SWD) in the EEG. The underlying mechanisms responsible for SWD generation and for the apparently spontaneous transitions to SWD and back again are still not fully understood. Specifically, the role of spatial cortico-cortical interactions in ictogenesis is not well studied. We present a macroscopic, neural mass model of a cortical column which includes two distinct time scales of inhibition. This model can produce both an oscillatory background and a pathological SWD rhythm. We demonstrate that coupling two of these cortical columns can lead to a bistability between out-of-phase, low amplitude background dynamics and in-phase, high amplitude SWD activity. Stimuli can cause state-dependent transitions from background into SWD. In an extended local area of cortex, spatial heterogeneities in a model parameter can lead to spontaneous reversible transitions from a desynchronised background to synchronous SWD due to intermittency. The deterministic model is therefore capable of producing absence seizure-like events without any time dependent adjustment of model parameters. The emergence of such mechanisms due to spatial coupling demonstrates the importance of spatial interactions in modelling ictal dynamics, and in the study of ictogenesis.

Cortical local and long-range synchronization interplay in human absence seizure initiation

Brain activity relies on transient, fluctuating interactions between segregated neuronal populations. Synchronization within a single and between distributed neuronal clusters reflects the dynamics of these cooperative patterns. Thus absence epilepsy can be used as a model for integrated, large-scale investigation of the emergence of pathological collective dynamics in the brain. Indeed, spike-wave discharges (SWD) of an absence seizure are thought to reflect abnormal cortical hypersynchronization. In this paper, we address two questions: how and where do SWD arise in the human brain? Therefore, we explored the spatio-temporal dynamics of interactions within and between widely distributed cortical sites using magneto-encephalographic recordings of spontaneous absence seizures. We then extracted, from their time-frequency analysis, local synchronization of cortical sources and long-range synchronization linking distant sites. Our analyses revealed a reproducible sequence of 1) long-range desynchronization, 2) increased local synchronization and 3) increased long-range synchronization. Although both local and long-range synchronization displayed different spatio-temporal profiles, their cortical projection within an initiation time window overlap and reveal a multifocal fronto-central network. These observations contradict the classical view of sudden generalized synchronous activities in absence epilepsy. Furthermore, they suggest that brain states transition may rely on multi-scale processes involving both local and distant interactions.

Determinanten kognitiver Angstmanifestation während schulischer Tests: Eine Längsschnittstudie

Theoretischer Hintergrund und Fragestellung: Schulische Tests dienen der Feststellung von Wissen und Können. Wie jede Messung kann auch diese durch Störvariablen verzerrt werden. Während Tests erlebte Angst ist ein solcher potentieller Störeinfluss: Angst kann Testleistungen beinträchtigen, da sie sich hinderlich auf die Informationsverarbeitung auswirken kann (Störung des Wissensabrufs und des Denkens; Zeidner, 1998). Dieser kognitiven Angstmanifestation (Rost & Schermer, 1997) liegt die angstbedingte automatische Aufmerksamkeitsorientierung auf aufgaben-irrelevante Gedanken während der Testbearbeitung zugrunde (Eysenck, Derakshan, Santos & Calvo, 2007). Es hat sich allerdings gezeigt, dass Angst nicht grundsätzlich mit Testleistungseinbußen einhergeht (Eysenck et al., 2007). Wir gehen davon aus, dass die Kapazität zur Selbstkontrolle bzw. Aufmerksamkeitsregulation (Baumeister, Muraven & Tice, 2000; Schmeichel & Baumeister, 2010) ein Faktor ist, der bedingt, wie stark kognitive Angstmanifestation während Tests und damit zusammenhängende Leistungseinbußen auftreten. Ängstliche Lernende mit höherer Aufmerksamkeitsregulationskapazität sollten ihrer automatischen Aufmerksamkeitsorientierung auf aufgaben-irrelevante Gedanken erfolgreicher entgegensteuern und ihre Aufmerksamkeit weiterhin auf die Aufgabenbearbeitung richten können. Dem entsprechend sollten sie trotz Angst weniger kognitive Angstmanifestation während Tests erleben als ängstliche Lernende mit geringerer Aufmerksamkeitsregulationskapazität. Auch die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl sind Variablen, die in der Vergangenheit mit der Bewältigung von Angst und Stress in Verbindung gebracht wurden (Bandura, 1977; Baumeister, Campbell, Krueger & Vohs, 2003). Daher wurden diese Variablen als weitere Prädiktoren berücksichtigt. Es wurde die Hypothese getestet, dass die dispositionelle Aufmerksamkeitsregulationskapazität über die dispositionelle Selbstwirksamkeitserwartung und das dispositionelle Selbstwertgefühl hinaus Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation während Mathematiktests in einer Wirtschaftsschülerstichprobe vorhersagt. Es wurde des Weiteren davon ausgegangen, dass eine indirekte Verbindung zwischen der Aufmerksamkeitsregulationskapazität und der Veränderung in den Mathematiknoten, vermittelt über die Veränderung in der kognitiven Angstmanifestation, besteht. Methode: Einhundertachtundfünfzig Wirtschaftsschüler bearbeiteten im September 2011 (T1) einen Fragebogen, der die folgenden Messungen enthielt:-Subskala Kognitive Angstmanifestation aus dem Differentiellen Leistungsangstinventar (Rost & Schermer, 1997) bezogen auf Mathematiktests (Sparfeldt, Schilling, Rost, Stelzl & Peipert, 2005); Alpha = .90; -Skala zur dispositionellen Aufmerksamkeitsregulationskapazität (Bertrams & Englert, 2013); Alpha = .88; -Skala zur Selbstwirksamkeitserwartung (Schwarzer & Jerusalem, 1995); Alpha = .83; -Skala zum Selbstwertgefühl (von Collani & Herzberg, 2003); Alpha = .83; -Angabe der letzten Mathematikzeugnisnote. Im Februar 2012 (T2), also nach 5 Monaten und kurz nach dem Erhalt des Halbjahreszeugnisses, gaben die Schüler erneut ihre kognitive Angstmanifestation während Mathematiktests (Alpha = .93) und ihre letzte Mathematikzeugnisnote an. Ergebnisse: Die Daten wurden mittels Korrelationsanalyse, multipler Regressionsanalyse und Bootstrapping ausgewertet. Die Aufmerksamkeitsregulationskapazität, die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl (alle zu T1) waren positiv interkorreliert, r= .50/.59/.59. Diese Variablen wurden gemeinsam als Prädiktoren in ein Regressionsmodell zur Vorhersage der kognitiven Angstmanifestation zu T2 eingefügt. Gleichzeitig wurde die kognitive Angstmanifestation zu T1 konstant gehalten. Es zeigte sich, dass die Aufmerksamkeitsregulationskapazität erwartungskonform die Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation vorhersagte, Beta = -.21, p= .02. Das heißt, dass höhere Aufmerksamkeitsregulationskapazität zu T1 mit verringerter kognitiver Angstmanifestation zu T2 einherging. Die Selbstwirksamkeitserwartung, Beta = .12, p= .14, und das Selbstwertgefühl, Beta = .05, p= .54, hatten hingegen keinen eigenen Vorhersagewert für die Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation. Des Weiteren ergab eine Mediationsanalyse mittels Bootstrapping (bias-corrected bootstrap 95% confidence interval, 5000 resamples; siehe Hayes & Scharkow, in press), dass die Aufmerksamkeitsregulationskapazität (T1), vermittelt über die Veränderung in der kognitiven Angstmanifestation, indirekt mit der Veränderung in der Mathematikleistung verbunden war (d.h. das Bootstrap-Konfidenzintervall schloss nicht die Null ein; CI [0.01, 0.24]). Für die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl fand sich keine analoge indirekte Verbindung zur Mathematikleistung. Fazit: Die Befunde verweisen auf die Bedeutsamkeit der Aufmerksamkeitsregulationskapazität für die Bewältigung kognitiver Angstreaktionen während schulischer Tests. Losgelöst von der Aufmerksamkeitsregulationskapazität scheinen positive Erwartungen und ein positives Selbstbild keine protektive Wirkung hinsichtlich der leistungsbeeinträchtigenden kognitiven Angstmanifestation während Mathematiktests zu besitzen.

Sleep-wake disorders persist 18 months after traumatic brain injury but remain underrecognized

OBJECTIVE This study is a prospective, controlled clinical and electrophysiologic trial examining the chronic course of posttraumatic sleep-wake disturbances (SWD). METHODS We screened 140 patients with acute, first-ever traumatic brain injury of any severity and included 60 patients for prospective follow-up examinations. Patients with prior brain trauma, other neurologic or systemic disease, drug abuse, or psychiatric comorbidities were excluded. Eighteen months after trauma, we performed detailed sleep assessment in 31 participants. As a control group, we enrolled healthy individuals without prior brain trauma matched for age, sex, and sleep satiation. RESULTS In the chronic state after traumatic brain injury, sleep need per 24 hours was persistently increased in trauma patients (8.1 ± 0.5 hours) as compared to healthy controls (7.1 ± 0.7 hours). The prevalence of chronic objective excessive daytime sleepiness was 67% in patients with brain trauma compared to 19% in controls. Patients significantly underestimated excessive daytime sleepiness and sleep need, emphasizing the unreliability of self-assessments on SWD in trauma patients. CONCLUSIONS This study provides prospective, controlled, and objective evidence for chronic persistence of posttraumatic SWD, which remain underestimated by patients. These results have clinical and medicolegal implications given that SWD can exacerbate other outcomes of traumatic brain injury, impair quality of life, and are associated with public safety hazards.