Bei Erwachsenen ist ein Zusammenhang zwischen Depressionen und Herzerkrankungen bekannt. Als möglicher Mechanismus hierfür gilt eine Veränderung der kardialen autonomen Funktion, messbar über eine verminderte Herzfrequenzvariabilität (HRV) und eine höhere Herzfrequenz. Es finden sich in der Literatur erste Hinweise, dass auch bei Kindern und Jugendlichen mit Depressionen Veränderungen der kardialen autonomen Regulation zu beobachten sind. In der vorliegenden Studie an der Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendpsychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie Würzburg wurde erstmals die kardiale autonome Funktion bei depressiven Kindern und Jugendlichen mit Hilfe von Langzeit-EKGs untersucht. Geprüft wurde hierbei, ob depressive Störungen im Kindes- und Jugendalter mit einer gestörten kardialen autonomen Regulation in Form einer verminderten HRV und einer erhöhten Herzfrequenz vergesellschaftet sind. Zudem wurde der Einfluss einer antidepressiven Therapie untersucht. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass depressive Kinder und Jugendliche im Vergleich zu gesunden eine signifikant höhere mittlere Herzfrequenz im Langzeit-EKG aufweisen. Zudem hatten sie leicht verminderte HRV-Parameter, wobei dieser Unterschied nicht statistisch signifikant war. Eine Veränderung der HRV oder der Herzfrequenz im Therapieverlauf konnte nicht belegt werden. Weitere größere Studien sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen Depressionen und Veränderungen der kardialen autonomen Funktion im Kindes- und Jugendalter zu erforschen. / In adults, a correlation between depression and heart diseases is known. One potential pathophysiological mechanism is the change of the cardiac autonomic function, which can be measured by decreased heart rate variability (HRV) and higher heart rate. There are few first studies indicating that changes of the cardiac autonomic regulation can be observed in depressed children and adolescents, too. In this study at the Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy (University of Wuerzburg), the cardiac autonomic function in depressed children and adolescents was assessed with long-term ECGs. We examined, if depression in childhood and adolescence is associated with an altered cardiac autonomic regulation with reduced HRV and higher heart rate. Furthermore, we examined the influence of antidepressant treatment. Our Data shows, that depressed children and adolescents have a significantly higher mean heart rate than healthy controls. They had slightly diminished HRV parameters as well. This difference, however, was not statistically significant. There were no changes of HRV or heart rate during the therapy of depression. Further larger studies are needed to clarify the relation between depression and changes of the cardiac autonomic function in childhood and adolescence.

Die Messung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) stellt ein sensitives Verfahren dar, um die Aktivität des autonomen Nervensystems zu erfassen. Die HRV beschreibt die sich ständig wechselnden zeitlichen Unterschiede aufeinanderfolgender Herzschläge und unterliegt vor allem der Steuerung des sympathischen und des parasympathischen Nervensystems. Die Ermittlung der HRV erfolgt über Kurz- und Langzeit-EKG-Aufzeichnungen. Störungen in der autonomen Kontrolle wurden mit vielen Krankheiten, v.a. mit einem erhöhten Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen, in Verbindung gebracht. Die Imbalance des autonomen Nervensystems, welche durch eine Hyperaktivität des sympathischen Nervensystems und einer verminderten Aktivität des parasympathischen Nervensystems charakterisiert ist, könnte einer der entscheidenden Faktoren sein, welcher zu einer erhöhten Morbidität und Mortalität von kardiovaskulären Erkrankungen führt. Ob diese Störungen in der autonomen Kontrolle zudem auch eine wichtige Rolle für das gehäufte Auftreten kardiovaskulärer Erkrankungen bei kleinwüchsigen Menschen einnehmen, ist Gegenstand heutiger Forschung. Für ein besseres Verständnis der Verbindung zwischen Körpergröße und kardiovaskulärem Risiko wurden in dieser Arbeit HRV-Analysen aus 24h-Langzeit-EKG-Aufzeichungen ausgewertet. Die Herzfrequenzvariabilität von 30 kleinwüchsigen Kindern (MWAlter = 6,3 ± 3,6 Jahre), darunter 17 ehemalige hypothrophe Neugeborene (sog. „Small for gestational age“, SGA), 11 Kinder mit einer konstitutionellen Entwicklungsverzögerung (KEV) und 2 Kinder mit einem nachgewiesenen idiopathischen isolierten Wachstumshormonmangel (Growth hormone deficiency, GHD) wurden hierfür mit einer Kontrollgruppe von 121 normwüchsigen und herzgesunden Kindern verglichen. Zusätzlich wurde die HRV von 30 Kindern unter langjähriger Wachstumshormontherapie (MWAlter = 10,8 ± 3,7 Jahre), darunter 20 Kinder mit einer GHD und 10 SGA-Kinder, mit dieser Kontrollgruppe verglichen, um den Einfluss einer Substitutionstherapie auf das autonome Nervensystem zu ergründen. Es zeigte sich, dass kleinwüchsige Kindern ab einem Alter von 9 Jahren eine signifikant herabgesetzte Herzfrequenzvariabilität haben. Die SDNN (Standard deviation of normal RR-intervals) als Maß der Gesamtvariabilität und die vagal modulierten HRV-Parameter RMSSD (Root mean squared of successive difference) und pNN50 (Percent NN differences over 50 ms) waren signifikant erniedrigt. Zudem zeigte sich bei diesen Kindern eine signifikant erhöhte Herzfrequenz bei Tag und Nacht. Kleinwüchsige präpubertäre Kinder unter 9 Jahren zeigten dagegen keine Veränderungen der HRV und der Herzfrequenz im Vergleich zur Kontrollgruppe. Eine Therapie mit Wachstumshormonen bei Kindern mit einem idiopathischen isolierten Wachstumshormonmangel und SGA-Kindern ohne Aufholwachstum scheint dagegen keinen Einfluss auf die Herzfrequenzvariabilität zu haben. Diese blieb trotz Substitutionstherapie auch weiterhin erniedrigt. Durch die Aufzeichnung von 24h-Langzeit-EKGs und anschließender HRV-Analyse während eines Clonidin-Wachstumshormonstimulationstests bei kleinwüchsigen Kindern sollte zudem die Rolle des zentralen α2-Adrenorezeptors in der Pathogense des Kleinwuchses untersucht werden. Erstaunlicherweise kam es nur bei den Kindern mit einer konstitutionellen Entwicklungsverzögerung (KEV) zu einem erwarteten signifikanten Anstieg der vagal modulierten HRV-Parameter sowie zu einem Absinken des sympathisch modulierten HRV-Parameters LFn. Kinder mit einer GHD zeigten weder einen adäquaten Anstieg der Wachstumshormon-Ausschüttung noch eine Reaktion des sympathischen und des parasympathischen Nervensystems auf die Clonidingabe. Bei den SGA-Kindern konnte nur ein Anstieg der vagal modulierten Parameter, nicht jedoch ein Abfall der sympathisch modulierten Parameter, gemessen werden. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass der zentrale α2-Adrenorezeptor eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Kleinwuchses, zumindest bei Kindern mit einem idiopathischen Wachstumshormonmangel und evtl. auch bei SGA-Kindern, einnimmt. / The measurement of heart rate variability (HRV) poses a sensitive method to detect the activity of the autonomous nervous system. HRV describes the constantly changing chronological difference of successive heart beats and is especially subject to the regulation of the sympathetic and parasympathetic nervous system. The detection of HRV is done using short-term ecg and holter monitoring. Disorders of autonomous regulation are associated with many diseases, especially with those with an increased risk for cardiovascular illnesses. The imbalance of the autonomous nervous system which is characterized by a hyperactivity of the sympathetic nervous system and a decreased activity of the parasymypathetic system could be one of the critical factors which leads to an increased morbidity and mortality in cardiovascular illnesses. Whether these disorders in the autonomous control also have an important role in the heaped occurrence of cardiovascular illnesses in people of short stature is the subject of current research. To gain a better understanding of the connection between body size and cardiovascular risk this thesis evaluated HRV-analyzes in recorded 24h holter monitoring. The HRV of 30 children of short stature (MVage=6,3 ± 3,6 years), including 17 former hypotrophic newborns (so called „small for gestational age“, SGA), 11 children with constitutional growth delay (CGD) and 2 children with proven idiopathic isolated growth hormone deficiency (Growth hormone deficiency, GHD) was compared to a control group of 121 heart healthy children of moderate stature to discover the influence of a substitute therapy on the autonomous nervous system. It was found that children with short stature as of the age of 9 have a significantly reduced heart rate variability. The SDNN (Standard deviation of normal RR-intervals) as a measurement of total variability and the vagal modulated HRV-Parameter RMSSD (Root mean squared of successive difference) and pNN50 (percent NN differences over 50 ms) were significantly lowered. Additionally it was found that these children had significantly raised heart rates during the day and at night. Prepubertal children of short stature under the age of 9 showed no changes in HRV and heart rate compared to the control group. A therapy with growth hormones for children with idiopathic isolated growth hormone deficiency and SGA-children without catch-up growth doesn’t seem to have an influence on heart rate variability. Despite replacement therapy theses children had a lowered heart rate variability. The role of the central α2-adrenal receptor in the pathogenesis of short stature was examined through holter monitoring and subsequent HRV-analysis during a clonidin growth hormone stimulation test on children of short stature. Astonishingly only children with constitutional growth delay (CGD) showed the expected significant rise of vagal modulated HRV parameters as well as the fall of the sympathetic modulated HRV parameter LFn (normalized Low Frequency Power). Children with GHD showed neither a rise of growth hormone nor a reaction of the sympathetic or parasympathetic nervous system after the administration of clonidin. SGA-children only showed a rise of parameters of vagal modulation but not a fall of sympathetic modulated parameters. It is therefore to be assumed that the central α2-adrenal receptor plays an important role in the genesis of short stature, at least in children with idiopathic growth hormone deficiency and possibly in SGA-children.

Die Depression ist eine Erkrankung mit einer hohen Prävalenz, die mit einem hohen Risiko für Suizidalität assoziiert ist. Traumata während der Kindheit gelten als einer der Hauptrisikofaktoren für Depressionen und Suizide. Die Assoziation einer Hyperaktivität des adrenergen Nervensystems und sowohl Depressionen als auch Suizidalität ist gut belegt. Mit einer antidepressiven Behandlung können suizidale Handlungen verhindert werden, jedoch gibt es eine Subgruppe, in der Suizidgedanken während der Therapie neu auftreten oder sich intensivieren (TWOSI). Während bereits mehrere genetische Polymorphismen mit dem Auftreten von Suizidgedanken während der Therapie assoziiert werden konnten, gibt es noch keine geeignete Methode, diese Patienten vor Therapiebeginn zu identifizieren, um deren Krankheitsverlauf genauer zu überwachen. Im Rahmen unserer Studie untersuchten wir stationäre Patienten mit einer depressiven Episode mittels eines Langzeit-EKGs zur Messung der Herzfrequenz und verschiedener Herzratenvariabilitätsparameter. Außerdem wurde bei Studieneinschluss durch einen Selbstbeurteilungsfragebogen verschiedene Formen einer Traumatisierung in der Kindheit erhoben und sowohl bei Aufnahme als auch in den darauffolgenden Wochen eine Fremdbeurteilungsskala zur Erfassung der Suizidgedanken durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass elf der insgesamt 89 Patienten ein Neuauftreten oder eine Verschlechterung von Suizidgedanken zeigten. Hierbei stellte sich heraus, dass TWOSI� Patienten schwerwiegendere emotionale Missbrauchserfahrungen in ihrer Kindheit erlebt hatten. Zudem zeigten diese Patienten eine höhere adrenerge Aktivität, widergespiegelt durch eine erhöhte Herzfrequenz und eine niedrigere Herzratenvariabilität. Somit könnte sich mit zunehmender Schwere der Kindheitstraumatisierung ein Überwiegen der sympathischen Aktivität ergeben, und daraus wiederum ein höheres Risiko für die Intensivierung der Suizidgedanken während der Behandlung. Messungen des autonomen Nervensystems könnten in Zukunft als Werkzeug dienen, Patienten mit einem erhöhten Risiko für TWOSI zu identifizieren. / Depression is a common disorder, which is associated with a high risk of suicidality. Among the many risk factors for both Major Depressive Disorder and suicidality are traumata during childhood. In addition, both conditions are associated with an increase of the adrenergic nervous system. Depression can be treated effectively with antidepressants and antidepressant medication is able to prevent suicide attempts. However, there is a long lasting discussion, if there is an emergence or an increase in suicidal ideation, called treatment emergent suicidal ideation (TESI) or treatment worsening suicidal ideation (TWOSI), caused by antidepressants, especially in the first few weeks of treatment or dose adjustments. Several genetic polymorphisms were identified to be associated with TWOSI, but yet, there is no suitable method to identify patients at risk before initiation of treatment . We recruited 89 depressed in-patients. Treatment Emergent or Worsening Suicidal Ideation (TWOSI) was defined as an emergence or an increase in the Columbia suicide severity rating scale in the first 4 weeks of treatment with antidepressants in a naturalistic setting. In addition, adverse events in childhood were assessed using the Childhood Trauma Questionnaire (CTQ). We evaluated the adrenergic nervous system measuring heart rate and heart rate variability with a 24-h-ECG-recording in the first week after admission. 11 patients experienced TWOSI. These subjects had a higher score in the emotional abuse section of the CTQ. Patients with an increase in suicidal thoughts had a significantly higher heart rate and significantly lower heart rate variability parameters than the comparison group. Our findings suggest that adverse events in childhood lead to a higher adrenergic arousal and thus to a higher risk to develop suicidal ideation during multimodal treatment of depression including antidepressants. After replication in large studies HRV measures may be used to identify patients at risk for TWOSI.

Unter Herzfrequenzvariabilität (HRV) versteht man die Anpassung der Herzfrequenz an endogene und exogene Einflüsse. Diese Anpassung wird vom autonomen Nervensystem durch Sympathikus und Parasympathikus gesteuert. Je variabler die Herzfrequenz bzw. die HRV auf diese Einflüsse reagiert, umso besser die autonome Regulation und die autonome Balance. In dieser Studie wurde der Zusammenhang der HRV im Langzeit-EKG mit der körperlichen Belastbarkeit in der Spiroergometrie bei Kindern und Jugendlichen untersucht. Es zeigte sich, dass Kinder mit psychosomatischen Erkrankungen am schlechtesten körperlich belastbar waren und die geringste HRV aufweisen konnten. Wohingegen SportlerInnen die beste Belastbarkeit und höchsten Werte in der HRV-Analyse erzielen konnten. Zudem ist es möglich, mittels Parameter der Spiroergometrie und der HRV-Analyse die körperliche Belastbarkeit bis zu 63% vorherzusagen. / The adaption of our heart rate to internal and external influences is known as heart rate variability (HRV). The autonomic nervous system regulates this adaption through the impact of sympathetic and parasympathetic nervous system. The more variance is shown in heart rate and HRV on these influences, the better the autonomic regulation and balance. In this study, the relationship between HRV during 24-hour-ECG and exercise capacity during exercise test in children and adolescent has been analyzed. We found out, that children who suffer from psychosomatic issues had poor results in exercise capacity during exercise test as well as in HRV analysis. Whereas athletes had best results in exercise tests and HRV analysis. Moreover, it is possible to predict exercise capacity with the parameters of exercise test and HRV analysis up to 63%.

Als Herzfrequenzvariabilität (HRV) wird die Frequenzänderung zwischen den einzelnen Herzaktionen bezeichnet. Da das autonome Nervensystem – vor allem über die respiratorische Sinusarrhythmie – einen großen Einfluss auf die HRV hat, kann umgekehrt von der HRV auf den aktuellen Zustand des autonomen Nervensystems rückgeschlossen werden. So ist bekannt, dass anhand der HRV Aussagen über die Prognose kritisch kranker Patienten auf Intensivstationen getroffen werden können. Aber auch körperliche und mentale Belastung verändern die HRV messbar. Mit dem Ziel, den Einfluss anspruchsvoller Hörsituationen auf die HRV zu untersuchen, wurden bei 20 Probanden Sprachtests (Freiburger Einsilber) mit verschiedenen Schalldruckpegeln durchgeführt. Vor und während den Sprachtests erfolgte die Aufzeichnung eines EKG, aus dem verschiedene Komponenten der HRV berechnet wurden. Es zeigte sich, dass anspruchsvolle Hörsituationen die HRV beeinflussen. Komponenten der HRV ändern sich sowohl mit steigender Schwierigkeit des Sprachtests, als auch gegenüber einem Ruheintervall signifikant. Die Messung der HRV scheint deshalb eine Möglichkeit, Höranstrengung objektiv messbar zu machen. / Heart rate variability (HRV) describes a change in frequency between adjacent heart beats. The autonomic nervous system has a big influence on heart rate variability, especially through respiratory sinus arrythmia, which means that with heart rate variability a conclusion can be drawn about the condition of the autonomic nervous system. It is known that statements on the basis of HRV can be made about the prognosis of severely sick patients on intensive care unit. Physical and mental burden also quantifiably change the HRV. With the aim to investigate the influence of demanding hearing situations on HRV, a language test (Freiburger Einsilber) with different sound pressure levels was carried out on 20 test persons. Before and during the language test an ECG was recorded, from which different components of the HRV could be calculated. It could be shown that demanding hearing situations influence the HRV. Components of HRV change significantly with increased level of difficulty of the language test and also compared to base level. The measure of HRV seems to be a possibility to make the effort of hearing objecitvely measurable.

Objective: Brain Computer Interfaces (BCI) provide a muscle independent interaction channel making them particularly valuable for individuals with severe motor impairment. Thus, different BCI systems and applications have been proposed as assistive technology (AT) solutions for such patients. The most prominent system for communication utilizes event-related potentials (ERP) obtained from the electroencephalogram (EEG) to allow for communication on a character-by-character basis. Yet in their current state of technology, daily life use cases of such systems are rare. In addition to the high EEG preparation effort, one of the main reasons is the low information throughput compared to other existing AT solutions. Furthermore, when testing BCI systems in patients, a performance drop is usually observed compared to healthy users. Patients often display a low signal-to-noise ratio of the recorded EEG and detection of brain responses may be aggravated due to internally (e.g. spasm) or externally induced artifacts (e.g. from ventilation devices). Consequently, practical BCI systems need to cope with mani-fold inter-individual differences. Whilst these high demands lead to increasing complexity of the technology, daily life use of BCI systems requires straightforward setup including an easy-to-use graphical user interface that nonprofessionals can handle without expert support. Research questions of this thesis: This dissertation project aimed at bringing forward BCI technology toward a possible integration into end-users' daily life. Four basic research questions were addressed: (1) Can we identify performance predictors so that we can provide users with individual BCI solutions without the need of multiple, demanding testing sessions? (2) Can we provide complex BCI technology in an automated, user-friendly and easy-to-use manner, so that BCIs can be used without expert support at end-users' homes? (3) How can we account for and improve the low information transfer rates as compared to other existing assistive technology solutions? (4) How can we prevent the performance drop often seen when bringing BCI technology that was tested in healthy users to those with severe motor impairment? Results and discussion: (1) Heart rate variability (HRV) as an index of inhibitory control (i.e. the ability to allocate attention resources and inhibit distracting stimuli) was significantly related to ERP-BCI performance and accounted for almost 26% of variance. HRV is easy to assess from short heartbeat recordings and may thus serve as a performance predictor for ERP-BCIs. Due to missing software solutions for appropriate processing of artifacts in heartbeat data (electrocardiogram and inter-beat interval data), our own tool was developed that is available free of charge. To date, more than 100 researchers worldwide have requested the tool. Recently, a new version was developed and released together with a website (www.artiifact.de). (2) Furthermore, a study of this thesis demonstrated that BCI technology can be incorporated into easy-to-use software, including auto-calibration and predictive text entry. Naïve, healthy nonprofessionals were able to control the software without expert support and successfully spelled words using the auto-calibrated BCI. They reported that software handling was straightforward and that they would be able to explain the system to others. However, future research is required to study transfer of the results to patient samples. (3) The commonly used ERP-BCI paradigm was significantly improved. Instead of simply highlighting visually displayed characters as is usually done, pictures of famous faces were used as stimulus material. As a result, specific brain potentials involved in face recognition and face processing were elicited. The event-related EEG thus displayed an increased signal-to-noise ratio, which facilitated the detection of ERPs extremely well. Consequently, BCI performance was significantly increased. (4) The good results of this new face-flashing paradigm achieved with healthy participants transferred well to users with neurodegenerative disease. Using a face paradigm boosted information throughput. Importantly, two users who were highly inefficient with the commonly used paradigm displayed high accuracy when exposed to the face paradigm. The increased signal-to-noise ratio of the recorded EEG thus helped them to overcome their BCI inefficiency. Significance: The presented work at hand (1) successfully identified a physiological predictor of ERP-BCI performance, (2) proved the technology ready to be operated by naïve nonprofessionals without expert support, (3) significantly improved the commonly used spelling paradigm and (4) thereby displayed a way to effectively prevent BCI inefficiency in patients with neurodegenerative disease. Additionally, missing software solutions for appropriate handling of artifacts in heartbeat data encouraged development of our own software tool that is available to the research community free of charge. In sum, this thesis significantly improved current BCI technology and enhanced our understanding of physiological correlates of BCI performance. / Zielsetzung: Gehirn-Computer Schnittstellen (engl. Brain-Computer Interface, BCI) bilden einen muskel-unabhängigen Interaktionskanal, was sie besonders für Menschen mit starken, motorischen Einschränkungen wertvoll macht. Daher wurden verschiedene BCI-Systeme und -Anwendungen als unterstützende Technologien (UT) für diese Patienten vorgeschlagen. Das am häufigsten verwendete System zu Kommunikationszwecken basiert auf ereigniskorrelierten Potentialen (EKP) des Elektroenzephalogramms (EEG) und ermöglicht es Buchstabe für Buchstabe zu kommunizieren. Zum derzeitigen Stand der Technik sind Berichte über alltägliche Verwendung von BCI-Systemen jedoch selten. Zusätzlich zu dem hohen Präparationsaufwand, der mit dem Messen eines EEGs verbunden ist, ist eine der Hauptursachen der verhältnismäßig geringe Informationstransfer im Vergleich zu anderen existierenden UT-Lösungen. Zudem wird häufig beobachtet, dass das BCI-Kontrollvermögen bei Patienten deutlich niedriger ist als bei gesunden Nutzern. Das EEG von Patienten weißt häufig ein niedrigeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf und die Erkennung von Hirnantworten kann durch interne (z. B. Spasmus) oder externe Artefakte (z. B. von einem Beatmungsgerät herrührend) zusätzlich erschwert werden. Somit müssen praxisrelevante BCI-Systeme mit einer Vielfalt von interindividuellen Unterschieden klar kommen. Obschon diese hohen Anforderungen zu einer zunehmend komplexeren Technologie führen, erfordert der Alltagsgebrauch von BCI-Systemen einen einfachen Aufbau inklusive leicht zu bedienender, grafischer Benutzeroberfläche, die von Laien, ohne Unterstützung von Experten, bedient werden kann. Forschungsfragestellungen dieser Dissertationsschrift: Das Dissertationsprojekt bezweckte die Weiterentwicklung von BCI-Systemen, um den Weg für eine Integration in das tägliche Leben von Benutzern zu bahnen. Vier grundlegende Forschungsfragestellungen wurden adressiert: (1) Können Prädiktoren des BCI-Kontrollvermögens gefunden werden, sodass Nutzer mit individuell angepassten BCI-Lösungen versorgt werden können, ohne dass mehrfache, anstrengende Testsitzungen notwendig sind? (2) Kann komplexe BCI-Technologie auf automatisierte, nutzerfreundliche und leicht zu bedienende Weise bereitgestellt werden, sodass BCIs, ohne die Unterstützung von Experten, zuhause verwendet werden können? (3) Wie kann man den im Vergleich zu anderen existierenden UT-Lösungen niedrigen Informationstransferraten begegnen und sie erhöhen? (4) Wie kann ein Abfall des Kontrollvermögens verhindert werden, der häufig in Erscheinung tritt, wenn man BCI-Technologie, die an Gesunden getestet wurde, zu Patienten mit starken motorischen Einschränkungen bringt? Ergebnisse und Diskussion: (1) Herzratenvariabilität als Index des inhibitorischen Kontrollvermögens (die Fähigkeit Aufmerksamkeitsressourcen bereitzustellen und ablenkende Reize zu inhibieren) wurde zu EKP-BCI-Kontrollvermögen in einen signifikanten Bezug gesetzt und klärte beinahe 26% der Varianz auf. HRV ist leicht aus kurzen Aufzeichnungen des Herzschlags zu erheben und könnte daher als Prädiktor des EKP-BCI-Kontrollvermögens dienen. Aufgrund fehlender Softwarelösungen für angemessene Artefaktbehandlung in Aufzeichnungen des Herzschlags (Elektrokardiogramm und Interbeat-Intervall Daten) wurde ein eigenes Programm entwickelt, das frei erhältlich ist. Bis heute wurde es von mehr als 100 Wissenschaftlern weltweit angefordert. Unlängst wurde zudem eine neue Version entwickelt, die zusammen mit einer Website veröffentlicht wurde (www.artiifact.de). (2) Des Weiteren zeigte eine Studie dieser Dissertation, dass BCI-Technologie samt Auto-Kalibration und Wortvervollständigung in eine leicht zu bedienende Software integriert werden kann. Ungeschulte, gesunde Probanden waren in der Lage die Software ohne Unterstützung von Experten zu bedienen und buchstabierten mit dem auto-kalibrierten BCI erfolgreich Wörter. Sie gaben an, dass die Bedienung der Software leicht zu tätigen sei und dass sie in der Lage wären, das System anderen zu erklären. Jedoch muss zukünftige Forschung klären, ob sich die Ergebnisse auf Patienten übertragen lassen. (3) Das häufig verwendete EKP-BCI-Paradigma wurde signifikant verbessert. Statt - wie normalerweise getätigt - visuell präsentierte Buchstaben einfach aufleuchten zu lassen, wurden Bilder berühmter Gesichter als Stimulationsmaterial verwendet. Hierdurch wurden spezifische Gehirnpotentiale der Gesichtserkennung und -verarbeitung ausgelöst. Das ereigniskorrelierte EEG wies daher ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf, was die Detektion von EKPs stark vereinfachte. Infolgedessen war das BCI-Kontrollvermögen signifikant erhöht. (4) Die guten Ergebnisse dieses neuen Gesichter-Stimulus-Paradigmas, die mit gesunden Probanden erreicht wurden, ließen sich gut auf Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen übertragen. Die Verwendung eines Gesichter-Paradigmas erhöhte den Informationstransfer erheblich. Zwei Nutzer, die sehr ineffizient im Umgang mit dem herkömmlichen BCI-System waren, erreichten zudem ein hohes Kontrollvermögen mit dem Gesichter-Paradigma. Das erhöhte Signal-zu-Rausch-Verhältnis des aufgezeichneten EEGs half ihnen somit ihre BCI Ineffizienz zu überwinden. Signifikanz: Die hier vorgestellte Arbeit (1) identifizierte einen physiologischen Prädiktor des EKP-BCI-Kontrollvermögens, (2) zeigte, dass die Technologie bereit ist für die Verwendung durch ungeschulte Laien ohne Unterstützung von Experten, (3) verbesserte das herkömmliche Kommunikationsparadigma signifikant, und (4) zeigte hierdurch einen Weg auf, die BCI Ineffizienz von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen effektiv zu verhindern. Die fehlende Softwarelösung zur angemessenen Behandlung von Artefakten in Aufzeichnungen des Herzschlags animierte zudem zur Entwicklung einer eigenen Anwendung, die der Wissenschaftsgemeinschaft kostenfrei zur Verfügung gestellt wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass dieses Dissertationsprojekt somit derzeitige BCI-Technologie signifikant verbesserte und unser Verständnis physiologischer Korrelate des BCI-Kontrollvermögens erweiterte.

Einleitung: Die Messung der Herzratenvariabilität (HRV), d.h. der ständigen Variation des Herzschlags, ermöglicht eine Beurteilung der autonomen Funktion des Herzens und die Erfassung physischer und psychischer Belastungszustände. In der Audiologie werden Patienten anhand ihrer Leistung in audiometrischen Testverfahren beurteilt, vermehrte Höranstrengung kommt hier jedoch unzureichend zum Ausdruck. Die folgende Studie sollte klären, ob auditorische Belastung in Form eines Sprachverständnistests mit der HRV sensitiv erfasst werden kann und ob Hörsituationen mit Störgeräuschen eine höhere Stressantwort hervorrufen. Methoden: Die Datenerhebung erfolgte an 24 jungen hörgesunden Probanden, wobei diese während der HRV-Aufzeichnung Wortlisten des Freiburger Sprachtests in Ruhe und unter Zuschaltung eines Störgeräusches (Rauschen) schriftlich wiedergeben sollten. Vor und nach der Testung erfolgten jeweils Ruhemessungen. Ergebnisse: Auditorische Belastungen konnten mithilfe der HRV zuverlässig erfasst und von Ruhebedingungen unterschieden werden. Die Testanforderungen riefen Parameterveränderungen im Sinne einer Koaktivierung von Sympathikus und Parasympathikus hervor, wobei dieses Muster Ausdruck erhöhter Aufmerksamkeit zu sein scheint. Ein signifikanter HRV-Unterschied zwischen den beiden Schwierigkeitsgraden zeigte sich nicht. Geschlecht der Probanden und Reihenfolge der Testphasen spielten eine untergeordnete Rolle. Schlussfolgerungen: Die HRV-Aufzeichnung scheint geeignet, Höranstrengung bei gesunden Personen objektiv zu messen. Weitere Studien an größeren Kontroll- und Patientenstichproben sollten klären, ob diese zur Verbesserung der Diagnostik und Therapie von Hörbeeinträchtigten beitragen kann. / Introduction: Heart rate variability (HRV) as a permanent variation of the heart beat has proved to be a sensitive tool to judge the autonomic function of the heart and to measure physical and mental stress. Concerning audiology, patients' word recognition ability is the basis for further treatment, although test results do not always represent auditory effort properly. The aim of the following study was to analyse, if auditory stress caused by a speech comprehension test can be measured by HRV and if speech comprehension in noise is significantly more disturbing. Methods: 24 young probands with normal hearing participated in the study. They had to reproduce in written form monosyllable word lists of the “Freiburg Speech Test” in silence and in noise, while HRV was measured continuously. Before and after the testing, baseline and recovery data was recorded. Results: In the present study, auditory stress could be detected reliably and distinguished from passive conditions by means of HRV measurement. During the speech comprehension tasks, HRV was altered in terms of a coactivation of the sympathetic and the parasympathetic branch of the autonomous nervous system. This might be characteristic of tasks requiring increased attention. Audiometric test conditions without and with noise did not differ significantly. Gender differences and the influence of test order were negligible. Conclusions: HRV recording appears to be an objective tool to measure auditory effort. The current results have to be validated in further studies including larger samples of healthy and hearing-impaired people.

Unter der Herzfrequenzvariabilität (HRV) versteht man die physiologischerweise von Schlag zu Schlag auftretenden Schwankungen der Herzfrequenz. Als nicht-invasive Methode kommt die Messung der HRV in verschiedenen Bereichen zur Beurteilung des Zustandes des autonomen Nervensystems zur Anwendung. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss verschiedener Hörsituationen auf die HRV zu untersuchen und daraus indirekte Rückschlüsse auf die Höranstrengung zu ziehen. Es wurde der Freiburger Sprachverständlichkeitstest in drei verschiedenen Schalldruckpegeln, nämlich mit 20 dB (SPL), 40 dB (SPL) und 70 dB (SPL) durchgeführt. Die Erfassung der Herzaktivität erfolgte mit Hilfe eines Trainingscomputers mit Pulsmessung über einen Brustgurt. Die Spektralanalyse der RR-Intervalle erfolgte mittels der Software Kubios HRV, für die Auswertung wurden die mittlere Herzfrequenz, die SDNN, die RMSSD und die LF/HF-Ratio verwendet. Die erhaltenen Ergebnisse entsprechen nicht denen einer klassischen Stressreaktion, sondern deuten auf eine Co-Aktivierung von Sympathikus und Parasympathikus hin. Möglicherweise spielen für die Veränderung der HRV-Parameter weniger die Stressreaktion als vielmehr komplexere Vorgänge, wie zum Beispiel die Verarbeitung der akustischen Stimuli im Kortex beziehungsweise das Verstehen und Wiedergeben des Gehörten eine Rolle. Die Parameter der Herzfrequenzvariabilität verändern sich signifikant durch Hören bei verschiedenen Schalldruckpegeln und schriftliches Wiedergeben von Sprachmaterial. Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um die genauen Zusammenhänge näher zu untersuchen sowie die verschiedenen Einflussfaktoren, die eine Rolle spielen, zu definieren. / Heart rate variability (HRV) is defined as the fluctuations in the heart rate which occur physiologically from beat to beat. As a non-invasive method, the measurement of HRV is used in various areas to assess the condition of the autonomic nervous system. The aim of this thesis was to investigate the influence of different auditory situations on the HRV and to draw indirect conclusions about the listening effort. The Freiburg speech intelligibility test was performed in three different sound pressure levels, namely 20 dB (SPL), 40 dB (SPL) and 70 dB (SPL). The heart activity was recorded using a training computer with pulse measurement via a chest strap. Spectral analysis of the RR intervals was performed using Kubios HRV software. The mean heart rate, the SDNN, the RMSSD and the LF/HF ratio were used for the evaluation. The results obtained do not correspond to those of a classical stress reaction, but suggest a co-activation of the sympathetic and parasympathetic nervous system. Possibly, not so much the stress reaction but rather more complex processes, such as the processing of the acoustic stimuli in the cortex or the understanding and reproduction of what is heard, play a key role in the change of the HRV parameters. The parameters of heart rate variability significantly change by hearing at various sound pressure levels and by written reproduction of speech material. However, further research is needed to study the exact relationships and to define the diverse influencing factors that play a role.

In der vorliegenden prospektiven Pilotstudie wurden die Hypothesen überprüft, dass es durch die nicht-invasive aurikuläre Vagusnervstimulation, jedoch nicht durch eine Kontrollstimulation am Ohrläppchen, zu einer Steigerung der Befindlichkeit, einer Verbesserung der Kognition und einem positiven Effekt auf die Herzratenvariabilität kommt. Zusammenfassend konnten dabei in dieser Studie geringe Effekte der t-VNS auf einen kognitiven Parameter (F%-Wert des d2-Tests) sowie einen einzelnen HRV-Parameter (pNN50) gezeigt werden, wobei es Hinweise auf eine Intensitätsabhängigkeit der einzelnen Effekte gab. Auf die übrigen erfassten kognitiven Parameter und die weiteren gemessenen HRV-Parameter sowie die Befindlichkeit konnte kein Einfluss der t-VNS nachgewiesen werden. Bestätigt werden konnte das gute Sicherheitsprofil und die gute Tolerabilität der t-VNS. / The aim of this pilot study was to investigate the effects of transcutaneous vagus nerve stimulation on well-being, cognitive parameters and heart rate variability (HRV) compared to a sham-stimulation of the ear lobe. The results showed small effects on one cognitive parameter (F%; d2-test) and one HRV-parameter (pNN50). However, there was no significant effect of transcutaneous vagus nerve stimulation on the other investigated cognitive parameters and HRV-parameters and well-being.

Theoretischer Hintergrund: Im Zuge der aktuellen demographischen Entwicklung konnte in den letzten Dekaden eine extreme Prävalenzzunahme der Demenz vom Alzheimertyp (AD) verzeichnet werden, die insbesondere künftige Generationen vor enorme gesundheitspolitische Herausforderungen stellen wird und zur Entwicklung früherer diagnostischer wie auch effektiver therapeutischer Verfahren drängt. Derzeit verfügbare Biomarker der AD sind entweder zu unspezifisch, invasiv oder zu teuer, um sie als breite Screeningwerkzeuge einsetzen zu können. Insbesondere die Erkenntnis, dass die pathologischen Prozesse der AD lange vor ihrer klinischen Manifestation im unteren Hirnstamm beginnen, führte zu der Entwicklung der neuen Methode der somatosensibel evozierten Potentiale des N. vagus (VSEP), die zunehmend als Marker der vagalen Hirnstammfunktion angesehen wird. Dennoch wurde in letzter Zeit die Aussagekraft der Vaguspotentiale angezweifelt, nachdem eine neuere Studie ihren muskulären Ursprung postulierte. Zur Validierung der parasympathischen Ätiologie der VSEP schien die Herzratenvariabilität (HRV) als breit anerkannter Marker der parasympathischen Aktivität besonders geeignet. Beide Methoden wurden auf ihren Zusammenhang sowie auf eine potentielle Veränderung im Rahmen eines „mild cognitive impairment“ (MCI) untersucht, um ihr diagnostisches Potenzial bezüglich eines prädementiellen Stadiums der AD zu überprüfen. Methoden: Die vorliegende Studie erfolgte als Querschnittsanalyse des ersten Untersuchungszeitpunktes der Vogel-Studie. Nach Ausschluss von Probanden mit HRV- wie VSEP-relevanten Erkrankungen (nicht Hypertonie, Medikamente) und sorgfältiger Datenbearbeitung enthielt die Gesamtstichprobe 218 ältere Probanden im Alter von 74 ± 1.4 Jahren (MCI: n=27; kognitiv gesunde Kontrollen: n=191). Die Erhebung der VSEP erfolgte nach den gängigen Methoden von Fallgatter et al. (2003) an den Elektrodenpositionen Fz-F3, Fz-F4, C3-F3, C4-F4 und T4-O1/T3-O1 bei sukzessiver Stimulation beider Innenseiten des Tragus, die Messung der HRV über 15 min mit einem Finometer® Midi. Nur VSEP-Latenzen (P1, N1, P2) und die vagal modulierten HRV-Variablen RMSSD, LF, HF, RSAnorm (natürlicher Logarithmus) wurden in die weitere Analyse eingeschlossen. Zur Gegenüberstellung von VSEP und HRV in der Kontrollgruppe wurden Korrelationen sowie univariate Varianzanlysen der Quartilgruppen HRV-korrelierter VSEP-Latenzen, zum Vergleich von VSEP und HRV in MCI- und Kontrollgruppe T-Tests für unabhängige Stichproben durchgeführt. Ergebnisse: Für die gesunde Kontrollgruppe konnten in den Korrelationsberechnungen unter Kontrolle potentieller Einflussfaktoren signifikante Ergebnisse in den Elektrodenpositionen T4-O2 (Stimulation rechts) sowie C4-F4 (Stimulation links) verzeichnet werden. Alle Latenzkomponenten des Kanals C4-F4 zeigten signifikante, negative Korrelationen mit den vagal modulierten HRV-Parametern (P1 mit ln RMSSD, ln LF, ln HF, RSAnorm; N1 mit ln RMSSD, ln LF, ln HF; P2 mit ln LF). Die jeweiligen Latenz-Quartilgruppenvergleiche bestätigten, dass längere P1-Latenzen mit einem signifikant geringeren parasympathischen Tonus (RSAnorm, Trend bei HF) und einer signifikant geringeren Funktion der Baroreflexe (LF) einhergeht, wobei letzteres auch für P2 gilt. Die Ergebnisse der VSEP im Kanal T4-O2 fielen zwar konträr aus (positive Korrelation von P2 mit ln LF, ln HF, ln RSAnorm), konnten jedoch auch in Anbetracht eines allgemein schwächeren Zusammenhanges zwischen VSEP und HRV nur unzureichend durch die Varianzanalysen untermauert werden. Die Mittelwertsvergleiche zwischen MCI- und Kontrollgruppe ergaben einerseits vergleichbare HRV-Werte in beiden Gruppen, andererseits eine signifikante P2-Latenzverlängerung im Kanal T4-O2 (Stimulation rechts) in der MCI-Gruppe im Vergleich zu kognitiv gesunden Kontrollen. Schlussfolgerung: Trotz nicht hundertprozentig kongruenter Ergebnisse konnte unter anderem anhand der P1-Latenz im Kanal C4-F4 und der in hohem Maße parasympathisch modulierten RSAnorm ein sehr signifikanter Zusammenhang zwischen HRV und VSEP-Latenzen deutlich gemacht werden. Dies legt den Ursprung der VSEP in den autonomen Strukturen des Hirnstamms nahe. So könnte sich eventuell eine Verzögerung der VSEP-Latenz P2, wie es in der vorliegenden Studie bei MCI-Patienten beobachtet wurde, als additiver, nicht-invasiver Biomarker zur Frühdiagnose von prädementiellen Phasen der AD etablieren. Bereits angelaufene Längsschnittstudien wie die Vogelstudie werden künftig genauere Aussagen über die prädiktive Aussagekraft der VSEP zur Vorhersage einer AD liefern. / Theoretical Background: In the course of the current demographic development, an extreme increase in the prevalence of Alzheimer's disease (AD) has been recorded in recent decades. This will confront particularly future generations with enormous health challenges. Therefore the development of earlier diagnostic as well as effective therapeutic procedures urges. The currently available biomarkers of AD are either non-specific, invasive or too expensive for using them as a screening tool. The insight that the pathological processes of AD start long before their clinical manifestation in the lower brainstem, led to the development of a new method called vagus somatosensory evoked potentials (VSEP), which is increasingly seen as a marker for the vagus activity in the brainstem. Nevertheless the relevance of the VSEP was questioned lately after a newer study stated its muscular origin. The heart rate variability (HRV) is a widely accepted marker of the vagal tone and seemed to be suitable for validating the parasympathetic etiology of the VSEP. The correlation of both methods (VSEP and HRV) was therefore investigated in a group of cognitive healthy participants. This study examined furthermore possible changes of VSEP and HRV in a group of participants with mild cognitive impairment (MCI) in order to validate their diagnostic potential in terms of this symptomatic predementia phase of AD. Methods: The presented study was carried out as a cross-sectional study within the first visit of the Vogel study. After exclusion of participants with diseases that might affect either HRV or VSEP (not hypertension, drugs) and after careful data processing, the total sample contained 218 elderly participants at the age of 74 ± 1.4 years (MCI: n=27, cognitive healthy participants: n=191). The VSEP were measured at the electrode positions Fz-F3, Fz-F4, C3-F3, C4-F4 und T4-O1/T3-O1 on the basis of the common methodology, which was firstly introduced by Fallgatter et al. (2003), by successive transcutaneous stimulation of the vagus nerve at the inner side of the tragus at both ears. The measurement of HRV was carried out over 15 minutes with a Finometer® Midi. Only VSEP latencies (P1, N1, P2) and the vagal modulated HRV variables RMSSD, LF, HF, RSAnorm (natural logarithm) were included in further analysis. To investigate the relationship between VSEP and HRV within the group of cognitive healthy participants, correlations as well as ANOVAs were accomplished. To compare VSEP and HRV between the groups of participants with and without MCI, T-Tests for independent samples were performed. Results: By taking potential influencing factors into account, the correlation of VSEP and HRV was significant for the electrode positions T4-O2 (right vagus stimulation) and C4-F4 (left vagus stimulation) in the group of cognitive healthy participants. All VSEP latencies of the electrode position C4-F4 showed significant, negative correlations with the vagal modulated parameters of HRV (P1 with ln RMSSD, ln LF, ln HF, ln RSAnorm; N1 with ln RMSSD, ln LF, ln HF; P2 with ln LF). As confirmed by ANOVA it could be shown that longer P1-latencies are significantly correlated with a lower vagal tone (RSAnorm, trend for HF) as well as a lower function of the baroreflex (LF) and that longer P2-latencies correlate with a lower L low frequency power of HRV. There were contrary results for the electrode position T4-O2 (positive correlation between P2 and ln LF, ln HF, ln RSAnorm), but the correlation between VSEP and HRV for this electrode position was generally weaker and furthermore insufficiently confirmed by ANOVA. As verified by T-Tests there was on the one hand no significant difference in the parameters of HRV between the MCI group and the control group, on the other hand a significant prolongation of the P2-latencies (T4-O2, right vagus stimulation) was detected in the MCI group in comparison to the group of cognitive healthy participants. Conclusion: In spite of not completely congruent results, this study revealed a significant negative correlation between HRV and VSEP particularly for the electrode position C4-F4. This suggests that the origin of the VSEP is located in the autonomous structures of the brainstem. Thus a delay in the P2-latency of the VSEP, as observed in the group of participants with MCI in this study, could possibly be established as a additive, non-invasive biomarker for an earlier diagnosis of predementia phases of AD. In future longitudinal studies like the Vogel Study will provide more precise information about the predicitve value of the VSEP in terms of the prediction of AD.