Enhanced rostral anterior cingulate cortex activation during cognitive control is related to orbitofrontal volume reduction in unipolar depression

Enhanced rostral anterior cingulate cortex activation during cognitive control is related to orbitofrontal volume reduction in unipolar depression

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J Psychiatry Neurosci 2008;33(3):199-208

Gerd Wagner, PhD; Kathrin Koch, PhD; Claudia Schachtzabel; Jürgen R. Reichenbach, PhD; Heinrich Sauer, MD; Ralf G.M. Schlösser MD

Wagner, Koch, Schachtzabel, Sauer, Schlösser — Department of Psychiatry; Reichenbach — Institute of Diagnostic and Interventional Radiology, University of Jena, Germany

Abstract

Objective: In patients with major depressive disorder (MDD), enhanced activation of the rostral anterior cingulate cortex (rACC) during conflict resolution has been demonstrated with the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI), which suggests dysregulation of the affective compartment of the ACC associated with error monitoring and cognitive control. Moreover, several previous studies have reported disrupted structural integrity in limbic brain areas and the orbitofrontal cortex in MDD. However, the relation between structural and functional alterations remains unclear. Therefore, the present study sought to investigate whether structural brain aberrations in terms of grey matter decreases directly in the medial frontal regions or in anatomically closely connected areas might be related to our previously reported functional alterations.

Methods: A sample of 16 female, drug-free patients with an acute episode of MDD and 16 healthy control subjects matched for age, sex and education were examined with structural high-resolution T1-weighted MRI; fMRI images were obtained in the same session.

Results: Voxel-based morphometry (VBM) revealed grey matter decreases in the orbitofrontal and subgenual cortex, in the hippocampus-amygdala complex and in the middle frontal gyrus. The relative hyperactivation of the rACC in terms of inability to deactivate this region during the Stroop Color-Word Test showed an inverse correlation with grey matter reduction in the orbitofrontal cortex.

Conclusion: The present study provides strong evidence for an association between structural alterations in the orbitofrontal cortex and disturbed functional activation in the emotional compartment of the ACC in patients with MDD during cognitive control.

Résumé

Objectif : Chez des patients atteints de trouble dépressif majeur (TDM), on a démontré au moyen de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) une plus grande activité du cortex cingulaire antérieur rostral (CCAr) pendant la résolution des différends, ce qui indique une dysrégulation du compartiment affectif du CCA associé à la surveillance des erreurs et au contrôle de la cognition. De plus, plusieurs études antérieures ont signalé une perturbation de l’intégrité structurelle dans des aires limbiques du cerveau et le cortex orbitofrontal dans les cas de TDM. Le lien entre les altérations structurelles et fonctionnelles demeure toutefois flou. C’est pourquoi l’étude visait à déterminer si les aberrations structurelles du cerveau en termes de diminutions de la matière grise survenant directement dans les régions frontales médiales ou dans les régions reliées étroitement sur le plan anatomique pourraient être reliées aux altérations fonctionnelles signalées antérieurement.

Méthodes : On a examiné par IRM structurelle haute résolution à pondération T1 un échantillon composé de 16 femmes ne prenant pas de médicament et ayant un épisode aigu de TDM et de 16 sujets témoins en bonne santé jumelés en fonction de l’âge, du sexe et de l’éducation. On a obtenu des images IRMf au cours de la même séance.

Résultats : La morphométrie Voxel a révélé des diminutions de la matière grise dans le cortex orbitofrontal et subgénual, dans le complexe hippocampe-amygdales et dans la circonvolution frontale médiane. L’hyperactivation relative du CCAr (incapacité de désactiver cette région au cours du test de Stroop sur les couleurs et les mots) a révélé une corrélation inverse avec la réduction de la matière grise dans le cortex orbitofrontal.

Conclusion : L’étude démontre solidement l’existence d’un lien entre des altérations structurelles du cortex orbitofrontal et la perturbation de l’activation fonctionnelle dans le compartiment émotionnel du CCA, au cours du contrôle cognitif chez les patients atteints de TDM.


Medical subject headings: magnetic resonance imaging; depressive disorder; depression.

Competing interests: None delcared.

Submitted May 21, 2007; Revised Sept. 4, 2007; Accepted Oct. 16, 2007

Correspondence to: Dr. G. Wagner, Department of Psychiatry, University of Jena, Centre for Neuroimaging, Jahnstr. 3, Ersatztext Jena, Germany; fax 49 0 3641935280; wagner.gerd@uni-jena.de

Contributors: Drs. Wagner, Sauer and Schlösser designed the study. Dr. Wagner and Ms. Schachtzabel acquired the data, which Drs. Wagner, Koch, Reichenbach and Schlösser analyzed. Drs. Wagner, Koch and Schlösser wrote the article, and Drs. Koch, Reichenbach, Sauer and Schlösser and Ms. Schachtzabel revised it. All authors gave final approval for the article to be published.

Acknowledgements: We thank all the patients and control subjects who participated in this study.

This work was supported by an IZKF program grant of the Friedrich-Schiller-University of Jena (TMWFK B30701-015/-016) and the Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF (FKZ01ZZ0105).