Einfluss transkranieller Hirnstimulation auf die kognitive und motorische Leistung älterer, gesunder Probanden

Abstract

Einleitung: Transkranielle Hirnstimulation (insb. Magnet- und Gleichstromstimulation; [1]) wird zur Erforschung der Funktion und Arbeitsweise neuronaler Netzwerke und deren Plastizität eingesetzt (z. B. Langzeit-Potenzierung als Grundlage des Lernens, [2]). Mit zunehmendem Alter verändern sich diese Netzwerke, was u.a. mit Einbußen im Gedächtnis in Verbindung gebracht wird [3], wobei auch alternde Gehirne neuronale Plastizität und die Fähigkeit zu lernen zeigen [4]. Auch wenn die Hirnstimulation als vielversprechende Methode zur Modulation altersbedingter oder auch pathologischer Beeinträchtigungen angesehen wird, unterliegt sie bei gesunden Probanden einer hohen Variabilität in der Wirkung [5,6]. Methodik: In Studie 1 und 2 untersuchten wir den Einfluss eines exogen applizierten oszillierenden Gleichstroms (0,75 Hz) während der Tiefschlafphase auf die Behaltensleistung nach einem 8-stündigen nächtlichen bzw. 90-minütigen nachmittäglichen Schlaf im Vergleich zu einer Sham-Bedingung. Der Einfluss auf die Leistung wurde mittels zweier deklarativer, Hippocampus-abhängiger Gedächtnisaufgaben getestet (nicht-emotionale, semantisch verknüpfte Wortpaare; visuelle-räumliche Bildererkennungsaufgabe) sowie einer prozeduralen Aufgabe als Kontrolle und zusätzlich mittels EEG-Analysen auch auf konsolidierungsrelevante Schlafparameter untersucht (Tiefschlaf, langsam- oszillierende, langsame und schnelle Spindel-Frequenzbänder). Teil dieser Studien war eine gepaarte, assoziative transkranielle Magnetstimulation (TMS- PAS) zur Erfassung plastizitätsähnlicher Prozesse im motorischen System. Deren Ergebnisse wurden in Studie 3 in Form einer Meta-Analyse mit 7 weiteren Studien auf die Robustheit der Methode und des Einflusses verschiedener Stimulationsparameter (Alter, Geschlecht, statistische Methode) geprüft. Ergebnisse: Wenn auch in Studie 1 und 2 der unmittelbare Einfluss der Stimulation auf neurophysiologische Parameter positiv war und die Aktivität gedächtnisrelevanter Hirnaktivität modulierte, zeigte sich hinsichtlich der Gedächtnisleistung in der visuell-räumlichen Aufgabe ein deutlicher Unterschied zwischen den Studien. In Studie 1 kam es zu einer Verschlechterung in der Bildererkennungsleistung. Hier könnten die vermehrt aufgetretenen Wachphasen und der reduzierte Tiefschlaf unter Stimulationsbedingung ursächlich sein. In Studie 2 hingegen kam es – vermutlich aufgrund der fehlenden Störung des Schlafes durch die Stimulation, wie in Studie 1 – zu einer Verbesserung. Keine Unterschiede wurden hinsichtlich der Wortpaar- Aufgabe und der prozeduralen Aufgabe gefunden. In Studie 3 konnte hinsichtlich des TMS-PAS Protokolls kein Einfluss der TMS auf die motorische Leistung – gemessen an den motorisch evozierten Potentialen - gefunden werden. Entscheidend für die richtige Interpretation der Ergebnisse ist allerdings die Wahl der statistischen Methode (log-Transformation rechtsschief verteilter Daten wird empfohlen). Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Hirnstimulation durchaus positiv auf Nervenzellen wirken kann, doch ist eine Verbesserung damit erwarteter kognitiver oder motorischer Leistung aufgrund oftmals beobachteter hoher Variabilität in Abhängigkeit spezifischer Gruppenmerkmale nicht immer gegeben. Der Fokus zukünftiger Forschung sollte daher auf die spezifische Anpassung entsprechender Protokolle liegen.

Introduction: Since researchers found that transcranial brain stimulation (magnetic and direct current stimulation) [1] have an impact on neurons, such methods were used to investigate the function and operation of neuronal networks and its plasticity (long-term potentiation as the basic principle of learning [2]). During ageing those networks are changing which were discussed as related to impairments in memory [3], but in an ageing brain neuronal plasticity and the ability to learn were also found [4]. Even if brain stimulation seems to be a promising tool to modulate age- or pathological- related impairments, there is a great variability in effectiveness in healthy subjects [5,6]. Methods: In study 1 and 2 we explored the impact of a direct current (0.75 Hz) during the slow wave sleep phase on retention performance after 8 h of nocturnal sleep and 90 min of daytime nap compared to Sham- condition. We tested the impact on the performance with two declarative, hippocampal-dependent tasks (non-emotional, semantic-related wordpairs; visual-spatial picture recognition) as well as a procedural task as control and additionally, on consolidation-related sleep-parameters (slow wave sleep, slow oscillating, slow and fast spindle activity) by courtesy of EEG-analyses. A paired associative transcranial magnetic stimulation (TMS-PAS) was part of both studies to survey neuronal plasticity in motoric nerv pathways. In study 3 we examine the robustness of this method and the impact of several stimulation parameters (i.e., age, gender, statistical method) in a meta- analysis altogether with 7 other studies. Results: In study 1 and 2 we found a general positive impact of stimulation on memory-related brain activity, but a difference between both concerning retention performances in the visual- spatial task. In study 1 the picture recognition performance was decreased which we discuss as a result of increased wake times and less slow wave sleep under stimulation condition. Contrary, in study 2 we found an increase in picture recognition performance presumably due to the missing impact of stimulation on sleep habits. We found no differences concerning wordpair task, retention of location and procedural task. Additionally, no effect of TMS-PAS intervention was revealed, but we could show that the choice of the statistical method has an immanent influence on the results. Conclusion: Our results could show that transcranial brain stimulation quite show a positive impact on neurons. But an expected increment of performance is not always granted due to high variability dependent from specific group characteristics. Therefore, the focus of future studies should be on adaptations of relevant protocols.