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Cross-modal interaction after brain lesion - the influence of auditory stimulation on visual neglect

English title Cross-modal interaction after brain lesion - the influence of auditory stimulation on visual neglect
Applicant Nyffeler Thomas
Number 196915
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Zentrum für Neurologie und Neurorehabilitation Luzerner Kantonsspital
Institution of higher education Luzerner Kantonsspital - LUKS
Main discipline Neurology, Psychiatry
Start/End 01.03.2021 - 28.02.2025
Approved amount 622'289.00
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Keywords (5)

Auditory stimulation; Stroke; TMS; Eye movements; Neglect

Lay Summary (German)

Lead
Eine häufige kognitive Einschränkung nach Hirnschlag ist der Neglekt, eine Störung der Aufmerksamkeit, welche multimodal die Sinnesleistungen wie Hören und Sehen einschränkt und zu einer Vernachlässigung einer Raumhälfte führt. In dem Projekt wird bei Patientinnen und Patienten mit Neglekt untersucht, inwieweit Reize in der auditiven Modalität die Wahrnehmung in der visuellen Modalität beeinflussen und verbessern können.
Lay summary

Hintergrund

Nach einem Hirnschlag sind Patientinnen und Patienten in ihren Alltagsaktivitäten in der Regel eingeschränkt. So führen zum Beispiel eine Lähmung zu einer eingeschränkten Mobilität und eine Sprachstörung zu einer verminderten Kommunikation. Eine häufige kognitive Störung nach Hirnschlag ist der Neglekt, eine Aufmerksamkeitsstörung, bei der Patientinnen und Patienten Reize in dem zur Hirnverletzung gegenüber liegenden Raum nicht mehr wahrnehmen können. Diese Störung betrifft alle sensorischen Modalitäten, wobei das Sehen am stärksten betroffen ist. Tiefgreifende Veränderungen für die Alltagsaktivitäten sind die Folge: so nehmen nach einem Hirnschlag  der rechten Hirnhälfte Patientinnen und Patienten zum Beispiel Personen nicht wahr, die sie von links ansprechen und sich ihnen nähern, sie laufen links immer wieder in Gegenstände oder lassen die Nahrung auf der linke Seite des Tellers unberührt liegen.

Ziel

Ziel des Projektes ist es, bei Hirnschlagpatientinnen und -patienten mit Neglekt zu verstehen, inwieweit das Wahrnehmen von Gehörtem (auditive Modalität) und Gesehenem (visuelle Modalität) im vernachlässigten Raum zusammenhängt und einander beeinflusst. Wir möchten erfahren, in welchen neuronalen Netzwerken die Reize dieser beiden sensorischen Modalitäten im Gehirn verarbeitet werden und ob wir deren Erholung nach einem Hirnschlag positiv beeinflussen können. Unsere Hypothese ist, dass die Wahrnehmung von Gesehenem durch gezielte auditive Stimulation mit externen Reizen verbessert und gefördert werden kann (krossmodale Stimulation). Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, werden den Patientinnen und Patienten verschiedene auditive Reize mittels "Virtual reality design" dargeboten und dessen Effekte auf die visuelle Modalität durch Video-Okulographie quantifiziert. In weiteren Schritten wird versucht, die neuronalen Netzwerke dieser Modalität zusätzlich mittels nicht-invasiver Hirnstimulation (TMS) zu aktivieren.

Bedeutung

Das Projekt soll zu einem besseren Verständnis der krossmodalen sensorischen Stimulation und deren neuroanatomischen Repräsentation führen. Damit wird die Grundlage geschaffen, bei Hirnschlagpatientinnen und -patienten mit Neglekt die Wahrnehmung der visuellen Modalität durch Reize in der auditiven sensorischen Modalität zu verbessern. Dies kann zu einer schnelleren Erholung und besserem Outcome dieser Patienten und Patientinnen führen.

Direct link to Lay Summary Last update: 26.10.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Information from different sensory modalities allows for a coherent representation of our environment that helps to detect and localize external stimuli. When the signal from a sensory modality is weak, or even a whole sensory system is weakened, information from another sensory modality can be beneficial in supporting behaviour. In neglect, a syndrome that is characterized by the failure to detect stimuli presented within the contralesional hemispace, the visual modality is typically more severely impaired compared to the other sensory modalities. This opens the possibility that stimuli in the auditory modality may have a cross-modal effect, in turn improving the visual modality. Hence, neglect might be a valuable model to study cross-modal interaction after brain lesion. The present project aims to: a) assess the effects of auditory stimulation on the visual modality in a large sample of patients with left-sided visual neglect due to a subacute right-hemispheric stroke; b) identify the underlying neuronal networks and lesion-related determinants of the individual effects of auditory stimulation across patients (i.e., discriminate between patients that do or do not benefit from auditory stimulation, called responders and non-responders); and, c) modulate the effect of auditory stimulation by additional interventions (visual pursuit stimulation, non-invasive brain stimulation). Concerning behavioural effects, we will apply a new, promising methodological approach, in which auditory stimulation will be used as a spatial cueing method, in order to help directing visuospatial attention towards the contralesional side. Patients will hear music repeatedly presented via headphones, appearing within the right, ipsilesional space with respect to their body-centred coordinates system, and then slowly moving at a constant speed towards the left, contralesional side of space. This cueing approach will be contrasted with a control condition, in which patients will hear music normally (i.e., with no spatial cueing), using a cross-over design. To quantify the effects of auditory stimulation on the visual modality, we will analyse visual exploration behaviour using Video-oculography, prior and after auditory stimulation. Concerning the identification of the underlying neuronal networks and the influence of the lesion location, we will first perform cluster analyses to discriminate between responders and non-responders. Then, in order to identify the lesion-related determinants of the responder and non-responder subgroups, we will conduct lesion mapping, overlapping, volume determination, and VLSM analyses. Furthermore, we will also perform diffusion tensor imaging (DTI), in order to further elucidate differences in white matter lesion patterns. Concerning the modulation of auditory stimulation, we aim to analyse whether the auditory spatial cueing effects can be enhanced and prolonged by two additional interventions, which are known to improve visuospatial attention performance in neglect patients. First, we will combine auditory stimulation with simultaneous visual pursuit stimulation, using a virtual reality approach. The simultaneous presentation of stimuli in two different modalities might lead to an increase of neural sensitivity by producing greater activity. Second, immediately before auditory stimulation, we will apply continuous Theta Burst Stimulation (cTBS). cTBS could have a "priming effect", making the involved neuronal networks more susceptible to a subsequent auditory stimulation. Again, we aim to identify the underlying neuronal networks and their lesion correlates, by using cluster analyses to discriminate between responders and non-responders of these combined approaches. In addition, in order to identify the lesion-related determinants of the responder and non-responder subgroups, we will again conduct lesion mapping, overlapping, volume determination, dTI and VLSM analyses. Based on our preliminary data presented in this proposal, we hypothesize that the cross-modal effects of auditory stimulation on visual neglect will be stronger when spatial cueing will be applied than without it. We further hypothesize that the right auditory "dorsal pathway" (primary auditory cortex and parabelt; temporo-parietal white matter connections; region around the intraparietal cortex, parieto-frontal white matter, FEF) will be less often lesioned in responders than in non-responders. This "dorsal pathway" is believed to direct the eyes to a location of interest based on auditory localization information. Also, we hypothesize that visual pursuit stimulation using a virtual reality approach and cTBS, will increase and prolong the after-effects of spatial cueing obtained with auditory stimulation. Based on results of proof-of-principle studies, we hypothesize that, in addition to the auditory “dorsal pathway”, more medial, posterior parietal areas will be less often lesioned in responders than in non-responders in the “auditory and visual pursuit stimulation” condition, and interhemispheric parieto-parietal connections in the “auditory stimulation and cTBS” condition, respectively. The relevance of our project is twofold. First, the project will shed light on the neuronal mechanisms underlying audio-visual cross-modal effects. Second, by clarifying how and to which degree audio-visual cross-modal effects may improve visuospatial attention in neglect patients, the project will potentially allow to develop new therapeutic approaches.
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