Heutzutage gehen wir davon aus, dass das Gehirn in Netzwerken organisiert ist. Hierbei spielt die Kommunikation zwischen den verschiedenen Gehirnarealen, sowie deren Integration eine wesentliche Rolle. So trägt eine funktionierende Kommunikation innerhalb eines Netzwerkes vermutlich zu adaptivem Verhalten bei, eine fehlerhafte Kommunikation hingegen führt zu dysfunktionalem, oder fehlerhaftem Verhalten. Die oszillatorische Gehirnaktivität, die durch Phase, Frequenz und Amplitude gekennzeichnet ist, scheint hierbei wesentlich für die Integration neuronaler Netzwerke. Besonders hervor zu heben sei hier die inhibitorische oszillatorische Aktivität, diese trägt vermutlich besodners zur Kommunikation innerhalb der Netzwerke, aber auch zur Separation und zur Integration der selbigen bei.

In der folgenden Dissertation bearbeite ich die Frage, ob ein eher gehemmter Zustand der einzelnen Gehirnareale, die für eine Aufgabe relevant sind, zu einer Abnahme der Kommunikation über eine längere Distanz führt und ob diese mit einer Abnahme von tatsächlichem Verhalten einhergeht. Dabei gehe ich davon aus, dass es abhängig von der natürlcihen Fluktuation oszillatorischer inhibitorischen Aktivität, Zeitfenster gibt in denen Verhalten eher möglich ist und Zeiträume in denen Verhalten eher weniger möglich ist. Für den theoretischen Rahmen habe ich mich durch das „gating by inhibiton“ Modell (Jensen and Mazaheri 2010), inspirieren lassen. Dieses besagt, dass inhibitorische oszillatorische Gehirnaktivitäten den Informationsfluss bestimmt, z. B. indem Areale die nicht Verhatensrelevant sind, aktiv gehemmt werden (Jensen and Mazaheri 2010). Zudem wurde diese Arbeit durch die „communication through coherence“ Hypothese (Fries 2005) beeinflusst. Diese besagt, dass es Zeitfenster gibt in denen Kommunikation möglich ist, und andere in denen diese nicht möglich ist. Sind bei zwei Arealen zeitlich kohärente Erregungszustände vorzufinden (also dieselbe Phase eines Zykluses vorhanden), dann kann Kommunikation stattfinden. Da das motorische System einfach zu objektivieren ist, hab ich mich im Folgenden auf das motorische System konzentriert. Drei Studien wurden durchgeführt, um heraus zu finden wie freiwillige, oder induzierte motorische Aktivität von´dem Gehirnzustand des motorischen Netzwerkes in Zusammenhang steht und mit der Kortex-Muskel- Kommunikation verbunden ist. Dabei spielen insbesondere der parietale, prämotorische und zentrale Kortex eine wesentliche Rolle.

Die erste Studie basiert auf dem „gating by inhibtion“ Modell nach Jensen und Mazaheri (2010). Dabei habe ich in der Dissertation untersucht, in wie weit die kortikomuskuläre Kohärenz und die TMS induzierte muskuläre Antwort (MEP) von dem Erregungszustand des motorischen Aktionsnetzwerkes abhängen. Dieser Erregungszustand wurde aktiv durch eine Handbewegung verändert (Pfurtscheller et al. 1996a). Dabei fand ich, dass ein Anstieg der inhibitorischen Aktivität, genauer der Beta-Bandaktivität im motorischen System mit einer Verringerung der kortikomuskulären Kohärenz einhergeht und auch zu einer Verkleinerung der MEP Amplitude führt. Dies stützt das “gating by inhibtion” Model (Jensen and Mazaheri 2010) und zeigt, dass inhibitorische oszillatorische Aktivität in der Tat eine Art Steuerung inne hat, die aktiv die Kommunikation verhindert.

In der zweiten Studie habe ich erforscht, inwiefern die Phase eines „inhibitorischen“ oszillatorischen Zykluses im motorischen Netzwerk die kortikomuskuläre Kohärenz beeinflusst und ob dies als eine Art Kommunikationsfensters anzusehen ist. Diese wäre dann im Sinne der „communication through coherence hypothese“ nach Fries (2005). Genauer habe ich hier betrachtet, ob die oszillatorische Phase des motorischen Aktionsnetzwerkes zur kortikomuskulären Kohärenz steht und mit Verhaltensinitiierung zusammenhängt. Und ob es einen möglichen Zusammenhang zwischen niederfrequenter Phase und kortikomuskulärer Kohärenz gibt. Tatsächlich konnte ich zeigen, dass die Versuchsteilnehmer vorzugsweise bei einer bestimmten Phase reagierten, so dass die kortikomuskuläre Kohärenz im Thetaband zu diesem Zeitpunkt erhöht war. Zusätzlich konnte ich in einem Ruhedatensatz zeigen, dass die kortikomuskuläre Kohärenz, durch die Thetaphase in diesem Aktionsnetzwerk moduliert war. Also, dass es in der Tat ein Fenster innerhalb eines oszillatorischen Zykluses gibt, in dem Kommunikation eher stattfindet.

Die dritte Studie wurde durchgeführt, um zu prüfen in wieweit gut untersuchte Erregungsveränderungen im Muskel nach TMS -Stimulation (MEP und CSP) mit Erregungsveränderungen im Gehirn, vor allem in den motorischen Arealen einhergehen. Außerdem habe ich untersucht, inwiefern diese mit der kortikomuskulärer Kommunikation zusammenhängen und ob diese Erregungszustände auch erlernt oder konditioniert werden können. Dies beruht auf der Annahme, dass das Klicken, welches eine TMS Stimulation auslöst, auf die Erregung konditioniert wird und daher diese auch in einer sham Stimulation zusehen sein sollte (Lieberman 2000) Dabei konnte ich tatsächlich zeigen, dass sowohl während der inhibitorischen TMS- Antwort eine Erhöhung von inhibitorischen Oszillation und eine Veränderung der kortikomuskulären Kommunikation zu sehen ist und dass es auch konditionierte oder erlernte Veränderungen im Erregungszustand und in der Kommunikation gibt. Zusammenfassend kann man aus den drei Studien ableiten, dass die Aktivität der Muskeln als repräsentatives Maß für motorisches Verhalten von der Theta- und Beta- Bandaktivität im motorischen System (hier vor allem parietale Regionen, BA7, BA40 und prämotorische Regionen BA6, sowie M1) abhängt. Dabei repräsentieren Theta und Beta-Bandaktivität vermutlich den Erregungszustand dieses Netzwerkes, wobei vor allem der Beta Band Power anstieg mit inhibitorischen Erregungszuständen in Zusammenhang steht und Theta- Bandaktivität vor allem die Kommunikation über eine weite Distanzen repräsentiert. Wobei hier die Phase anzeigt, ob das System offen oder geschlossen für die Kommunikation ist. All diese Ergebnisse unterstützen das “gating by inhibiton” Modell (Jensen and Mazaheri 2010) und die “communication through coherence” Hypothese (Fries 2005) auch für das sensomotorische System. Außerdem zeigen sie, dass inhibitorische oszillatorische Aktivität, repräsentiert durch Phase und Power, für die Netzwerk- Integration und Kommunikation wesentliche Mechanismen darstellen.