Der Einfluss nicht-invasiver Motorcortex-Stimulation auf funktionelle Netzwerke bei gesunden älteren Probanden: eine kombinierte tDCS und fMRT Studie

Abstract

Mittels transcranieller Gleichstromstimulation (tDCS, engl. transcranial direct current stimulation) kann die neuronale Erregbarkeit des primären Motorcortex (M1) nicht-invasiv moduliert werden. Durch anodale Stimulation kommt es zu einer Heraufregulierung der Erregbarkeit des Areals, während eine cathodale Stimulation eine Herabregulierung bewirkt. Neben solchen unihemisphärischen Ansätzen kommt auch die sogenannte bihemisphärische oder „duale“ Stimulation zum Einsatz. Durch diese simultane anodale und cathodale tDCS kann die motorische Lernleistung bei Gesunden sowie die motorische Rehabilitation nach Schlaganfall verbessert werden. Allerdings ist deren Wirkweise nur unzureichend verstanden. Daher untersuchten wir den Einfluss dualer tDCS auf funktionelle Netzwerke (resting state-fMRT), aufgabenspezifische Aktivierungen (fMRT) und deren Zusammenhang mit strukturellen Charakteristika motorischer Bahnen (DTI) bei 20 gesunden älteren Probanden in einer randomisierten, verblindeten, Placebo-kontrollierten Studie mit einem Cross-over Design. Die Teilnehmer wurden in Ruhe und bei Ausführung eines Motortasks in einem 3T-MRT gescannt und gleichzeitig je nach Bedingung dual, anodal oder schein-stimuliert. Mit Hilfe von DTI konnten wir potentielle Funktionsänderungen mit strukturellen Parametern in Verbindung bringen. Die resting-state Analyse zeigte, dass im Vergleich zur Schein-Stimulation sowohl durch duale als auch anodale tDCS die Konnektivität im rechten Hippocampus und dem M1-Areal (kontralateral zur Anode) herabgesetzt wurde, während die Verbindung im linken präfrontalen Cortex gesteigert wurde. Weiterhin verbesserte die duale, allerdings nicht die anodale Stimulation die Verbindungen im linken dorsalen posterioren Cingulum. In den aufgabenspezifischen Aktivierungen im fMRT zeigte sich bei dualer im Vergleich zu anodaler tDCS eine stärkere Aktivierung in beiden M1, wenn die Probanden entweder die linke oder die rechte Hand während der motorischen Aufgaben nutzten. Die entsprechend durch die tDCS hervorgerufenen Veränderungen in der Lateralisation der Aktivierung standen im Verhältnis zum mikrostrukturellen Zustand der motorischen Fasern des Corpus callosum. Zusammenfassend legen unsere Ergebnisse nahe, dass sich der Einfluss von dualer tDCS nicht nur durch rein additive Effekte von anodaler und gleichzeitiger cathodaler Stimulation erklären lässt, sondern durch ein komplexes Regulierungssystem zwischen den Hemisphären und den für die motorische Kontrolle verantwortlichen Bereichen des posterioren Cingulums. Die Kenntnis über die Auswirkungen von dualer tDCS liefert wertvolle Hinweise für weitere Studien zu Therapieansätzen in der Rehabilitation bei Schlaganfallpatienten.

Bihemispheric transcranial direct current stimulation (tDCS) is thought to upregulate excitability of the primary motor cortex (M1) using anodal stimulation while concurrently downregulating contralateral M1 using cathodal stimulation. This “dual” tDCS method enhances motor learning in healthy subjects and facilitates motor recovery after stroke. However, its impact on motor system activity and connectivity remains unknown. Therefore, we assessed neural correlates of dual and unihemispheric anodal tDCS effects in 20 healthy older subjects in a randomized, sham-controlled study using a cross-over design. Participants underwent tDCS and simultaneous functional magnetic resonance imaging during a choice reaction time task and at rest. Diffusion tensor imaging (DTI) allowed us to relate potential functional changes to structural parameters. The resting-state analysis demonstrated that, compared with sham, both dual and anodal tDCS decreased connectivity of right hippocampus and M1 (contralateral to the anode position) while increasing connectivity in the left prefrontal cortex. Notably, dual but not anodal tDCS enhanced connectivity of the left dorsal posterior cingulate cortex. Furthermore, dual tDCS yielded stronger activations in bilateral M1 compared with anodal tDCS when participants used either their left or right hand during the motor task. The corresponding tDCS-induced changes in laterality of activations were related to the microstructural status of transcallosal motor fibers. In conclusion, our results suggest that the impact of bihemispheric tDCS cannot be explained by mere add-on effects of anodal and concurrent cathodal stimulation, but rather by complex network modulations involving interhemispheric interactions and areas associated with motor control in the dorsal posterior cingulate cortex.