Changes in Peripheral Inflammation and Neurotrophic Factors and Brain Network Connectivity in Depressive Patients under Treatment with Electroconvulsive Therapy (ECT)
Depression is characterized by a range of symptoms including persistent low mood, loss of interest or pleasure, and fatigue. Furthermore, depressed patients experience this state as chronic and difficult to escape. Notably, treatment resistant depression accounts for 30% of cases in major depressive disorder, representing a huge humanistic and economic burden. Electroconvulsive therapy (ECT), an ...
Abstract (English)
Depression is characterized by a range of symptoms including persistent low mood, loss of interest or pleasure, and fatigue. Furthermore, depressed patients experience this state as chronic and difficult to escape. Notably, treatment resistant depression accounts for 30% of cases in major depressive disorder, representing a huge humanistic and economic burden. Electroconvulsive therapy (ECT), an electrical stimulation of the brain which triggers a generalized seizure, provides a chance of relief for such cases. Although beneficial, the precise mechanisms of ECT remain to be determined. Based on previous knowledge, ECT induces an acute inflammatory immune response that might reinforce the expression of neurotrophins. Here we aim to unveil the potentially beneficial role of inflammation observed during ECT. We also hypothesize that ECT induces changes in brain network communication, as a result of changes in metabolism. Hence, studying brain functional connectivity is of great importance to understand the pathophysiological mechanisms of ECT.
Within a repeated measures design study of six weeks, nine patients diagnosed with depressive disorder received three ECT sessions per week for a total of 16 sessions on average. To investigate the pathophysiological mechanisms of ECT treatment, we implemented a multi-level strategy which involved tracking the clinical progress using the Hamilton Depression rating scale (HAMD-21) and Beck’s depression inventory, collecting peripheral blood samples, and performing functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI).
ECT led to successful clinical response affecting both molecular pathways and brain network communication. ECT increased BDNF serum expression, which negatively correlated with HAMD-21 scores. Moreover, ECT induced an increase in TNF-α levels and altered the expression of IL-4. At the brain level, ECT induced an overall increase in regional connectivity, modulated the amplitudes of low frequency fluctuations (fALFF) in a region-specific fashion, and improved brain network integration in terms of node degree, betweenness centrality, and communication efficiency.
The present work revealed that ECT appears to impact multiple pathways, which act in synergy to generate the desired clinical improvement: the reactivation of BDNF-mediated cortical plasticity induced by ECT may lead to a new balance in brain functional network properties to better adapt to environmental challenges.
Translation of the abstract (German)
Depressionen sind durch eine Reihe von Symptomen gekennzeichnet, darunter anhaltende schlechte Laune, Verlust von Interesse oder Freude und Müdigkeit. Außerdem erleben depressive Patienten diesen Zustand als chronisch und schwer zu überwinden. Behandlungsresistente Depressionen machen 30 % der Fälle von schweren depressiven Störungen aus und stellen eine enorme soziale und wirtschaftliche ...
Translation of the abstract (German)
Depressionen sind durch eine Reihe von Symptomen gekennzeichnet, darunter anhaltende schlechte Laune, Verlust von Interesse oder Freude und Müdigkeit. Außerdem erleben depressive Patienten diesen Zustand als chronisch und schwer zu überwinden. Behandlungsresistente Depressionen machen 30 % der Fälle von schweren depressiven Störungen aus und stellen eine enorme soziale und wirtschaftliche Belastung dar. Die Elektrokrampftherapie (EKT), eine elektrische Stimulation des Gehirns, die einen generalisierten Krampfanfall auslöst, bietet in solchen Fällen eine Chance auf Linderung. Die genauen Mechanismen der EKT sind jedoch noch nicht geklärt. Nach bisherigen Erkenntnissen löst EKT eine akute entzündliche Immunreaktion aus, die die Expression von Neurotrophinen verstärken könnte. Hier wollen wir die potenziell positive Rolle der während der EKT beobachteten Entzündung aufklären. Wir stellen außerdem die Hypothese auf, dass die EKT als Folge der Veränderungen im Stoffwechsel Veränderungen in der Netzwerkkommunikation des Gehirns hervorruft. Daher ist die Untersuchung funktioneller Konnektivität des Gehirns von großer Bedeutung für das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen der EKT.
Im Rahmen einer sechswöchigen Studie mit wiederholten Messungen erhielten neun Patienten, bei denen eine depressive Störung diagnostiziert wurde, drei EKT-Sitzungen pro Woche mit insgesamt durchschnittlich 16 Sitzungen. Zur Untersuchung der pathophysiologischen Mechanismen der EKT-Behandlung setzten wir eine mehrstufige Strategie ein, die die Verfolgung des klinischen Fortschritts anhand der Hamilton Depression Rating Scale (HAMD-21) und des Beck'schen Depressionsinventars, die Entnahme peripherer Blutproben und die Durchführung funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) umfasste.
Die EKT führte zu einer erfolgreichen klinischen Reaktion, die sich sowohl auf molekulare Signalwege als auch auf die Kommunikation im Gehirnnetzwerk auswirkte. EKT erhöhte die BDNF-Serumexpression, die negativ mit den HAMD-21-Scores korrelierte. Außerdem führte die EKT zu einem Anstieg der TNF-α-Spiegel und veränderte die Expression von IL-4. Auf der Ebene des Gehirns führte die EKT zu einem allgemeinen Anstieg der regionalen Konnektivität, modulierte die Amplituden der niederfrequenten Fluktuationen (fALFF) regionalspezifisch und verbesserte die Integration des Gehirnnetzwerks in Bezug auf Knotengrad, Betweenness-Zentralität und Kommunikationseffizienz.
Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass die EKT offenbar mehrere Signalwege beeinflusst, die synergetisch wirken, um die gewünschte klinische Verbesserung zu bewirken: Die Reaktivierung der BDNF-vermittelten kortikalen Plastizität, die durch die EKT ausgelöst wird, könnte zu einem neuen Gleichgewicht der funktionellen Netzwerkeigenschaften des Gehirns führen, um sich besser an die Herausforderungen der Umwelt anzupassen.
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