Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Dept. of Psychiatry and Psychotherapy (Semmelweis University)
Starting date
2015-12-01
Closing date
2018-11-30
Funding (in million HUF)
21.978
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Vizsgálatunk teoretikus hátterét a szkizofrénia alulról felfelé építkező modellje képezi. Ezen modell alapján az alsóbb szintű perceptuális eltérések vezetnek a magasabb szintű kognitív zavarokhoz, mint az arckifejezések feldolgozásának károsodása, melyek végül a pszichoszociális funkciók romlását okozzák. Jó időbeli felbontásuk miatt régóta használják a kiváltott válasz (EP) paradigmákat az arckifejezések feldolgozásának vizsgálatához. A legtöbb EP vizsgálat az arcok strukturális kódolásának (N170) zavarát mutatta. A vizuális percepció korai zavara is kimutatható szkizofréniában: számos vizsgálat mutatta ki a magnocelluláris rendszer zavarát, melyet a P1 és N1 komponensek csökkenése jelez. A kérdés az, hogy az arckifejezések strukturális dekódolásának zavara valójában a korai vizuális percepció zavarának a következménye vagy ezek egymástól független jellemzői a betegségnek. Ezt a kérdést úgy szeretnénk megválaszolni a jelen vizsgálatban, hogy elemezzük az összefüggéseket a magno- / parvocelluláris rendszer irányában módosított vizuális stimulusok és az arckifejezés felismerés elektrofiziológiai korrelátumai között. Az utóbbi időben publikált genetikai vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy a szkizofrénia nem egy, hanem több, genetikailag elkülönülő betegség. Ehhez hasonlóan, bár számos különböző kognitív eltérést leírtak szkizofréniában, ezek egyike sem detektálható minden betegnél. Éppen ezért tervezzük az exekutív funkciók, a munkamemória, és a mentalizáció vizsgálatát is (EEG nélkül), hogy ezen vizsgálatok eredményeit kombinálva az EEG eredményekkel létre tudjunk hozni egy nagy klasszifikációs erővel bíró változót.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Ebben a kutatásban az vizuális percepció alsóbb szintű eltéréseit és az érzelem feldolgozás zavarait szeretnénk vizsgálni szkizofréniában. Szignifikáns különbséget várunk betegek és kontroll személyek között az érzelem felismerésben, valamint az N170 és P300 komponensek tekintetében is, melyek az arckifejezések dekódolásának illetve az érzelem feldolgozás zavarára utalnak. Korábbi vizsgálataink alapján feltételezzük, hogy a csoporttok között eltérés lesz a theta szinkronizáció és beta deszinkronizáció tekintetében is, melyek a nagyobb neuron csoportok közötti összehangolt működés zavarára utalhatnak. Hipotézisünk szerint szkizofrén betegeknél szignifikáns összefüggést találunk majd az arckifejezés felismerés és az érzelem feldolgozás elektrofiziológiai korrelátumai között: azaz az N170 és P300 komponensek, valamint a theta szinkronizáció és beta deszinkronizáció között. Hipotézisünk szerint szkizofrén betegeknél a P1 és N1 komponensek amplitúdója szignifikánsan kisebb lesz és a teljesítményük is elmarad majd a percepciós feladatban a kontrollokhoz képest. Korábbi viselkedéses vizsgálatok eredményei alapján feltételezzük, hogy szkizofrén betegeknél a percepciós feladatban mért P1 és N1 komponensek csökkenése korrelál majd az érzelem felismerési feladatban mért N170 és P300 komponensek csökkenésével valamint a theta szinkronizáció és a beta deszinkronizáció csökkenésével is. Tesztelni fogjuk, hogy a korai vizuális percepció (károsodása) a szociális percepción keresztül hat a pszichoszociális funkcionalitásra. Végezetül tesztelni szeretnénk az elektrofiziológiai és kognitív változók kombinációjának klasszifikációs erejét egy logisztikus regressziós modellben.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az alapvető perceptuális eltérések és az érzelem feldolgozás zavarai közötti összefüggésekre vonatkozó várható eredményeink segíthetik a szkizofrénia betegség patomechanizmusának jobb megértését. Eredményeink segíthetik továbbá olyan jövőbeni kognitív remediációs eljárások és pszichofarmakonok kifejlesztését, melyek az emóció felismerést és aszociális kogníció javítását célozzák majd. Mindezek a betegek jobb funkcionalitáshoz és a rokkantság esélyének csökkenéséhez vezethetnek majd. Amíg az érzelem feldolgozáshoz köthető kiváltott válasz komponensek már jól ismertek, addig a folyamathoz köthető agyi oszcillációkat csak keveset vizsgálták, a korai vizuális percepciós zavarokhoz köthető agyi oszcillációkat pedig még egyáltalán nem. A jelen vizsgálat keretében tervezett oszcillációs elemzések eredményeit a későbbiekben felhasználhatják a betegség új EEG biomarkereinek kifejlesztéséhez, melyeket aztán a pszichofarmakonok hatásainak nyomon követésében hasznosíthatnak. Az utóbbi időben publikált genetikai vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy a szkizofrénia nem egy, hanem több, genetikailag elkülönülő betegség. Pontosabban szólva a szkizofrénia kifejezés egy csoport örökletes eltérést jelöl, melyeket meghatározott számú gén hálózat okoz és amelyek egy körülhatárolt klinikai tünet együttesben manifesztálódnak. Ezzel egybehangzóan, bár számos különböző kognitív eltérést leírtak szkizofréniában (pl.: munkamemória, exekutív funkciók, mentalizáció), ezek egyike sem detektálható minden betegnél. Éppen ezért tervezzük az exekutív funkciók, a munkamemória, és a mentalizáció vizsgálatát is (EEG nélkül) is, hogy ezen vizsgálatok eredményeit kombinálva az EEG eredményekkel létre tudjunk hozni egy nagy klasszifikációs erővel bíró változót, mely alapján jól elkülöníthetőek az egészségesek a szkizofréniában szenvedő betegektől.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A szkizofrénia egyike a fő mentális megbetegedéseknek, mely nagyjából a populáció 1%-át érinti világszerte. A kognitív eltérések a betegség központi eltéréseit alkotják, és a hosszútávú rokkantság elsőszámú okozói. A betegség pontos neurobiológiai alapja még mindig nem teljesen tisztázott. Bár az elmúlt évtizedek során számos kognitív károsodást leírtak, mint például a korai percepció vagy az érzelem feldolgozás zavarait, az ezek közötti összefüggések oksági kapcsolatok még nem pontosan ismertek. Az alapvető kognitív károsodások és a mindennapi funkcionalitás (pl. tanulás, munkaképesség) közötti összefüggések szintén nem tisztázottak. A vizsgálat egyik fő célja az alapvető percepciós eltérések, az érzelem feldolgozás zavarai és a mindennapi funkcionalitás közötti kapcsolatok feltárása. Szeretnénk továbbá feltérképezni az ezekhez az eltérésekhez köthető agyi oszcillációkat is. Az utóbbi időben publikált genetikai vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy a szkizofrénia nem egy, hanem több, genetikailag elkülönülő betegség. Ehhez hasonlóan, bár számos különböző kognitív eltérést leírtak szkizofréniában, ezek egyike sem detektálható minden betegnél. Éppen ezért tervezzük az exekutív funkciók, a munkamemória, és a mentalizáció vizsgálatát is, hogy ezen vizsgálatok eredményeit kombinálva az EEG eredményekkel létre tudjunk hozni egy nagy klasszifikációs erővel bíró változót. Várható eredményeink segíthetik továbbá olyan jövőbeni kognitív remediációs eljárások és pszichofarmakonok kifejlesztését, melyek az emóció felismerést és aszociális kogníció javítását célozzák majd. Mindezek a betegek jobb funkcionalitáshoz és a rokkantság esélyének csökkenéséhez vezethetnek majd.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The theoretical framework of our planned investigation is the bottom-up model of schizophrenia. According to this early sensory deficits lead to higher level process such as facial expression encoding impairments, which further contribute to the psychosocial functioning deficits. Due to their good temporal resolution, event related potential (ERP) paradigms have traditionally been used to explore facial processing. Most ERP studies suggest a deficit during the structural decoding of the face (N170) in patients. Early stage visual perception is also affected in schizophrenia: several previous studies showed an underlying magnocellular deficit indexed by the decreased P1 and N1 components. The question is that the deficit in the structural encoding of emotional faces is a consequence of these lower level sensory deficits (i.e. the magnocellular system gives the wrong "input" to facial encoding), or these are independent features of the same disorder. In order to entangle this issue we plan to analyze the correlation between the electrophysiological correlates of the perception of magnocellularly/parvocellularly biased visual stimuli and facial expression recognition. Based on recent genetic findings it seems that schizophrenia is not a single disease but multiple genetically distinct disorders. Accordingly impairments in different cognitive domains are well-known in schizophrenia, while none of these impairments can be detected in all patients. Measures of executive functioning, working memory, and theory of mind (outside EEG) are also planned to use these measures together with electrophysiology indices to create a combined variable with high classification power.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. In this study we would like to explore basic sensory deficits and emotion processing impairments and their associations in schizophrenia. We expect a significant difference between patients and healthy controls in emotion recognition performance and also in the N170, P300 components indicating structural encoding and emotion processing impairments respectively. Furthermore based on our previous investigation we also expect a group difference in theta synchronization indicating impairments in long range synchronization in larger ensembles of neurons, and in beta desynchronization indicating facial emotion processing deficits. We hypothesize that decreased performance in facial emotion recognition in schizophrenia will show correlations with the psychophysiological underpinnings of emotion processing: N170, P300 components, theta synchronization, and beta desynchronization. We expect decreased P1and N1 components and impaired performance in the perceptual task in the schizophrenia group indicating deficits in magnocellular functioning. Based on the earlier behavioral findings we hypothesize that the decreased P1 and N1 components reflecting the deficits in early sensory processing in the schizophrenia group will be correlated with the decreased N170, P300 components, and with theta synchronization and beta desynchronization in the emotion processing task. Our further hypothesis is that social perception mediate the influence of early visual processing on psychosocial functioning in schizophrenia. Furthermore we are planning to test the combined classification power of the electrophysiological and cognitive measures in a logistic regression model.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Our expected results on the association between sensory impairments and emotion processing deficits can help us to understand schizophrenia better. Furthermore they can help future studies to develop cognitive remediation and pharmacological agents to correct impairments in emotion recognition and social cognition. This can lead to better everyday functioning and decreased disability in patients with schizophrenia. While the ERP components linked to emotion processing are relatively well studied, only a few studies analyzed the oscillatory correlates of this process, and no studies examined the oscillatory correlates of the early sensory impairments in schizophrenia. Exploration of the oscillatory correlates of emotion processing and early sensory impairments in schizophrenia can help further investigations to develop electrophysiology biomarkers for drug development. Based on recent genetic findings it seems that schizophrenia is not a single disease but multiple genetically distinct disorders, in other words a group of heritable disorders caused by a moderate number of separate genotypic networks associated with several distinct clinical syndromes. Accordingly several different cognitive functions are impaired in schizophrenia (e.g. working memory, executive functioning, theory of mind), while none of them is impaired in all patients. Similarly to a previous investigation, where combined electrophysiological measures were applied to increase classification power we plan to use the results of these cognitive measures together with our electrophysiology parameters such as P1 and N170 to create a combined measure with high discrimination power between patients and controls.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Schizophrenia is a major mental disorder that affects approximately 1% of the population worldwide. Cognitive deficits are a key feature of schizophrenia and a primary cause of long-term disability. However the exact neurobiological background of the disorder is still unclear. While cognitive impairments of different domains in schizophrenia have been explored in the past decade such as perceptual deficits and emotion recognition deficits, we still do not understand the relationship of these impairments to each other. Furthermore the association of these basic impairments such as perception deficits to the disability in everyday functioning (e.g. learning, working) is still unclear. The aim of the research project is to explore the relationship of basic sensory deficits, emotion processing impairments and everyday functioning. We also aim to explore the brain oscillatory underpinnings of these deficits. Based on recent genetic findings it seems that schizophrenia is not a single disease but multiple genetically distinct disorders. Accordingly impairments in different cognitive domains are well-known in schizophrenia, while none of these impairments can be detected in all patients. Measures of working memory and theory of mind are also planned to use these measures together with EEG indices to create a combined measure, which can differentiate between patients and healthy controls with high accuracy. Our expected results can help further studies to develop cognitive remediation and pharmacological agents to correct impairments in emotion recognition and social cognition, which can lead to better everyday functioning and decreased disability of these patients.
Final report
Results in Hungarian
Az érzelemkifejező arckifejezések felismerésének gyengesége és a vizuális információfeldolgozás zavara már ismert jelenségek szkizofréniában, a kettő egymáshoz való viszonya azonban még tisztázatlan. Vizsgálatunk elsődleges célja a magnocelluláris (MC) működés és az érzelmi arckifejezés felismerés zavara közötti összefüggés feltárása volt.
Összesen 39 szkizofrén személyt és 40 szociálisan illesztett kontroll személyt vontunk be a vizsgálatba. Három különböző kísérletet kellett végrehajtaniuk, miközben 128 csatornás EEG felvétel készült: az elsőben MC irányba módosított alacsony térbeli frekvenciás Gábor foltokat és parvocelluláris (PC) irányba módosított magas térbeli frekvenciás Gábor foltokat mutattunk, a másodikban házakat és arcokat, végül a a harmadik kísérletben érzelemkifejező arcokat (öröm, szomorúság és semleges) kellett felismerniük.
Betegekben az eseményfüggő téta (4-7Hz) szinkronizáció (ETSz: téta teljesítmény növekedése) szignifikánsan elmaradt kontroll személyekhez képest a MC stimulusok esetén, míg PC stimulusok esetén hasonló különbség nem volt detektálható. A ’ház/arc’ és az ’érzelemkifejező arc’ kísérleti elrendezésekben is mérhető volt az ETSz különbség betegek és egészségesek között az utóbbiak javára. A MC kísérleti elrendezésben mért ETSz korrelált az érzelemfelismerési teljesítménnyel, míg a PC elrendezésben mért ETSz esetén hasonló korreláció nem volt kimutatható.
Eredményeink arra utalnak, hogy szkizofréniában a jól ismert arc és érzelem felismerési rendellenesség mögött egy az alsóbb feldolgozási szintek irányából a magasabb feldolgozási szintek irányába ható zavar áll.
Results in English
While impaired facial emotion recognition and magnocellular deficits in visual perception are core features of schizophrenia, their relationship is still unclear. Our aim was to analyze the oscillatory background of these processes and to investigate the connection between the magnocellular pathway deficit and the abnormal facial affect processing.
Thirty-nine subjects with schizophrenia and forty socially matched healthy controls subjects were enrolled. A 128 channel EEG was recorded in three experimental tasks: first, participants viewed magnocellular biased low-spatial frequency (LSF) and parvocellular biased high-spatial frequency (HSF) Gabor-patches, then faces and houses were presented and in the third task a facial affect recognition task was presented with happy, sad and neutral faces.
Event-related theta (4-7 Hz) synchronization (ERS) (i.e. an increase in theta power) by magnocellular biased stimuli was decreased in patients relative to controls, while no similar differences were found between groups in the parvocellular biased condition. ERS was significantly lower in patients compared to healthy controls both in the face and in the emotion recognition task. Theta ERS to magnocellular biased stimuli, but not to parvocellular biased stimuli, were correlated with emotion recognition performance.
These findings indicate a bottom up disruption of face perception and emotion recognition in schizophrenia.
Szabó ÁG, Farkas K, Marosi C, Kozák LR, Rudas G, Réthelyi J, Csukly G: Impaired mixed emotion processing in the right ventrolateral prefrontal cortex in schizophrenia: an fMRI study, BMC Psychiatry, 2017
Fodor Z, Siraly E, Horvath A, Salacz P, Hidasi Z, Csibri E, Szabo A, Csukly G: Decreased Event-Related Beta Synchronization During Memory Maintenance Marks Early Cognitive Decline in Mild Cognitive Impairment, JOURNAL OF ALZHEIMER'S DISEASE 63: (2) pp. 489-502., 2018
Ritzl A, Csukly G, Balazs K, Egerhazi A: Facial emotion recognition deficits and alexithymia in borderline, narcissistic, and histrionic personality disorders., PSYCHIATRY RESEARCH 270: pp. 154-159., 2018
Csukly Gábor, Réthelyi János: Agyi hálózatok és konnektivitás vizsgálata pszichiátriai betegségekben MRI képalkotással, ORVOSTOVÁBBKÉPZŐ SZEMLE 24: (1) pp. 29-33., 2017
Csukly G, Farkas K, Marosi C, Szabo A: Deficits in low beta desynchronization reflect impaired emotional processing in schizophrenia, SCHIZOPHRENIA RESEARCH 171: (1-3) pp. 207-214., 2016
Csukly G, Siraly E, Fodor Z, Horvath A, Salacz P, Hidasi Z, Csibri E, Rudas G, Szabo A: The Differentiation of Amnestic Type MCI from the Non-Amnestic Types by Structural MRI, FRONTIERS IN AGING NEUROSCIENCE 8: (MAR) 52, 2016
Farkas K, Stefanics G, Marosi C, Csukly G: Elementary sensory deficits in schizophrenia indexed by impaired visual mismatch negativity., SCHIZOPHRENIA RESEARCH 166: (1-3) pp. 164-170., 2015
