Structural and functional brain changes after a 40-days short-term mindfulness meditation training

Abstract

The objective of the current thesis was to study the functional and structural brain changes after a 40 days short-term mindfulness meditation training in meditation-naive subjects. In this thesis, both modalities- functional and structural imaging analysis were used to investigate the longitudinal brain changes related to mindfulness meditation training, further it was put into the framework of potentially changing depression symptom and anxiety by using behavioral questionnaires. An increasing number of neuroimaging studies showed that mindfulness meditation is associated with different functional and structural configurations of the default mode network (DMN), salience network (SN), executive network at resting-state. In the first part of the study, I compared the brain network functional connectivity differences between rest and meditation by utilizing the resting-state functional connectivity methods. Further, I also applied the Regional Homogeneity approach to investigate the local differences. Significant differences in functional connectivity both between states (rest vs. meditation) and between timepoints (pre- vs. post- training) was observed. The internal consistency of the functional activity at the precuneus and the temporo-parietal junction increased during meditation, while the decreased pattern at the frontal brain areas was observed. In addition, I analyzed the regional connectivity of the dorsal anterior cingulate cortex (dACC), and observed the connectivity with anterior insula (AI) during meditation state was reduced. I further discovered that the resting-state functional connectivity between the pregenual anterior cingulate (pgACC) and dorsal medical prefrontal cortex (dmPFC) was reduced after the training of mindfulness meditation. Of note, I observed significant reduction of the depression/anxiety scores. In the second part of the study, the increase of cortical thickness and the reduction of low-frequency amplitudes (ALFF) was observed in precuneus, which is a posterior DMN region, that both the structural and functional effects were seen due to mindfulness meditation training. Further, the reduction of ALFF in left precuneus/posterior cingulate cortex (PCC) is related with the decrease of the depression scores. In summary, mindfulness meditation leads to plasticity-related network alteration in brain areas that are affected by mood disorders such as depression, which might be of therapeutic benefit.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, in Folge eines 40-tägigen Achtsamkeitsmedita-tionstraining Veränderungen in den Gehirnen von Probanden, die zuvor noch nie meditiert hatten, zu untersuchen. In dieser Arbeit wurden die Modalitäten funktionelle und strukturelle Bildgebung verwendet, um die langfristigen Veränderungen des Gehirns im Zusam-menhang mit Achtsamkeitsmeditationstraining zu untersuchen. Zusätzlich wurden diese mithilfe von Fragebögen zum Verhalten erfasst und im Kontext potenziell veränderter De-pressionssymptomatik und angst analysiert. Eine wachsende Anzahl von Studien im Bereich der funktionellen Bildgebung haben gezeigt, dass Achtsamkeitsmeditation mit verschiedenen funktionellen und strukturellen Konfigurationen der sogenannten Default-Mode Netzwerkes (DMN), des Salienz-Netzwerkes (SN) und des Exekutiv-Netzwerkes zusammenhängt. Im ersten Teil der Studie verglichen wir Unterschiede in der Netzwerkkonnektivität zwischen Ruhe und während der Medi-tation unter Verwendung üblicher Methoden zur Analyse funktioneller Konnektivität im Ruhezustand. Interregionale Methoden wurden lokalen Maßen, wie der regionalen Ho-mogenität, gegenübergestellt. Wie erwartet wurden signifikante Unterschiede in der funk-tionellen Konnektivität sowohl zwischen den Zuständen (Ruhe versus Meditation) als auch zwischen den Zeitpunkten (vor versus nach dem Training) beobachtet. Während der Med-itation nahm die innere Konsistenz im Precuneus und im temporo-parietalen übergang zu, während die innere Konsistenz der frontalen Hirnregionen abnahm. Eine weiterführende Analyse der regionalen Konnektivität des dorsalen anterioren cingulären Kortex ergab eine verminderte Konnektivität mit der anterioren Insula während der Meditation. Nach Ab-schluss des Meditationstrainings wurde eine verminderte funktionelle Konnektivität im Ruhezustand zwischen dem pregenualen anterioren cingulären und dem dorsalen präfrontalen Kortex beobachtet. Eine wichtige Beobachtung war, dass nach dem Meditiationstraining signifikant verringerte Depressions- / Angstwerte beobachtet wurden. Im zweiten Teil der Studie fanden wir überlappende strukturelle und funktionelle Effekte in Precuneus. In dieser Region des posterioren DMN, nahm die kortikale Dicke zu und die niederfrequenten Amplituden (ALFF) nahmen ab, während die Abnahme von ALFF im linken Precuneus/posterioren Cingulum mit der Reduktion von Depressionswerten (CES-D) korrelierte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Achtsamkeitsmeditation von therapeutischem Nutzen sein könnte, indem sie plastizitätsbedingte Netzwerkänderungen in Arealen in-duziert, die bei affektiven Störungen, wie Depressionen, verändert sind.