Neural substrates of spatial awareness and balance in stroke patients

Abstract

This doctoral thesis attempted to investigate the anatomical and functional consequences of brain lesions in patients with disorders of spatial awareness and balance. The first study investigated the disorder of body orientation in the coronal (roll) plane of space known as ‘pusher syndrome’. In pusher patients, very little is known about additional functional or metabolic abnormalities outside the areas of irreversible damage, which may contribute to the disorder. The results pointed out that the anatomical network composed by the posterior thalamus, the insula, postcentral gyrus and the malperfused areas mentioned above, is critical to perceiving gravity and controlling human upright body orientation. The second experiment aimed at characterizing the neural correlates of ‘visual extinction’. Visual extinction is identified if the patients dismiss contralesional events when simultaneously presented with an ipsilesional stimulus. We investigated e whether extinction in patients with subcortical damages may be explained by dysfunction of structurally intact cortical structures. Our results indicated that lesions of subcortical structures contribute to the appearance of visual extinction through elicited dysfunction of the structurally intact cortex. The third investigation represented a new methodological approach to lesion analysis on patients with ‘spatial neglect’. Neglect is an impairment of spatial attention in the transverse (yaw) plane. In this experiment we aimed at demonstrating the actual involvement of cortical and subcortical structures in a large group of 140 stroke patients showing versus not showing spatial neglect. In patients with spatial neglect, our results indicate that the lesions are largely associated with damage of the grey instead of the white matter. Nevertheless, in accordance with prior connectivity studies, we found that the damage of right perisylvian white matter connections is, to some extent, also associated with spatial neglect.

Diese Doktorarbeit untersuchte die anatomischen und funktionellen Folgen von Gehirnläsionen in Patienten mit Störungen des räumlichen Bewusstseins und des Gleichgewichtssinns. Die erste Studie untersuchte die Störung der körperlichen Orientierung im Raum in der Koronarebene, die als "Pusher-Syndrom" bekannt ist. Bei Pusher-Patienten ist bisher sehr wenig über zusätzliche funktionelle oder metabolische Abnormalitäten außerhalb des irreversibel geschädigten Areals, welche zu der Störung beitragen können, bekannt. Das Ergebnis zeigte, dass das anatomische Netzwerk, welches aus dem Nucleus thalamicus posterior, der Inselrinde, dem Gyrus postcentralis und anderen lokal schlecht durchbluteten Arealen besteht, entscheidend für das Schwerkraftempfinden und die Kontrolle der menschlichen aufrechten Körperorientierung ist. Das zweite Experiment zielte auf die Charakterisierung der neuronalen Korrelate bei visuellen Ausfällen ab. Kennzeichnend für solche visuellen Ausfälle ist, dass der Patient den kontraläsionalen Stimulus, der gleichzeitig auch ipsiläsional praesentiert wurde, ausblendet. Wir fragten uns weiterhin, ob diese Ausfälle in Patienten mit subkortikalen Schäden durch Dysfunktionen strukturell intakter kortikaler Strukturen erklärt werden könnte. Unsere Ergebnisse bestätigten eine direkte Beziehung zwischen subkortikalen Schäden und kortikalen Fehlfunktionen. Unsere dritte Untersuchung war eine neue methodische Herangehensweise in der Läsionsanalyse bei Patienten mit räumlichem Neglect. Der Neglect ist eine Beeinträchtigung der räumlichen Aufmerksamkeit in der Transversalebene. Das Ziel der Untersuchung war die Beziehung der kortikalen und subkortikalen Strukturen in einer Gruppe von 140 Schlaganfallpatienten darzustellen. Unsere Resultate zeigten, dass bei einem räumlichen Neglect die Läsionen staerker mit einer Schädigung der grauen anstelle der weißen Substanz zusammenhängen. Nichtsdestotrotz fanden wir heraus, dass Schädigungen der rechten perisylvischen weißen Substanz auch mit dem räumlichem Neglect in Zusammenhang steht.