Hintergrund: Motorische Ermüdbarkeit, eine Kenngröße motorischer Leistung, kann anhand unterschiedlicher Aufgaben charakterisiert und quantifiziert werden. Sie kann physiologische Reaktion auf körperliche Anstrengung, sowie bei z.B. neurologischen Erkrankungen beeinträchtigendes Symptom sein. Es können zentrale und periphere Anteile motorischer Ermüdung z.B. durch Erhebung der kortikospinalen Erregbarkeit (CSE) mittels motorisch evozierter Potentiale (MEP), ausgelöst durch transkranielle Magnetstimulation (TMS), unterschieden werden. Zur Modifikation zentralmotorischer Funktion werden Methoden der transkraniellen elektrischen Stimulation, wie z.B. die Rauschstimulation (tRNS), eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Modifikation der motorischen Ermüdbarkeit mittels tRNS untersucht. Dazu wurde zunächst die Reliabilität der Erfassung motorischer Ermüdbarkeit sowie der zentralmotorischen Funktion evaluiert. Methoden: In einer methodischen Studie (22 gesunde Probanden) wurde die Reliabilität der Erfassung zentralmotorischer Funktion anhand der MEP-Varianz bei navigierter TMS (nTMS) im Vergleich zu nicht-navigierter TMS untersucht. Hierbei wurden nicht-physiologische Einflussfaktoren (Spulenlokalisation, -kippung, und – ausrichtung) auf die MEP-Größe identifiziert und die MEPs um diese bereinigt. Eine zweite methodische Studie (30 gesunde Probanden) verglich die Erfassung motorischer Ermüdung beim Fingertapping mittels Kraftsensor mit der standardisierten Erfassungsmethode. Hier wurden bislang nicht systematisch untersuchte Parameter der motorischen Ermüdung, wie die Tappingkraft, erfasst und ausgewertet. Eine dritte Sham-kontrollierte, randomisierte, doppelblinde Studie (30 gesunde Probanden) untersuchte die Modulation motorischer Ermüdung durch tRNS über dem motorischen Kortex während einer Fingertappingaufgabe im Vergleich zu einer Go/Nogo-Aufgabe. Ergebnisse: In der ersten Studie fand sich eine deutlich höhere Reliabilität der Erfassung der CSE mittels nTMS im Vergleich zu nicht-navigierter TMS. Dies belegt die Eignung der nTMS zur Erfassung zentralmotorischer Funktion mit größtmöglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung. In der zweiten Studie konnte die Erfassung der motorischen Ermüdbarkeit (Abnahme der Tappinggeschwindigkeit) mittels Kraftsensor in der Fingertappingaufgabe validiert (Intraklassenreliabilität von 0.88-0.91) und eine Zunahme der Tappingkraft als potentielles Korrelat motorischer Ermüdbarkeit gemessen werden. Dies belegt die Eignung der Fingertappingaufgabe und des Kraftsensors zur Detektion motorischer Ermüdbarkeit. In der dritten Studie wurde mittels tRNS eine aufgabenspezifische Modulation zentralmotorischer Funktion nicht aber der motorischen Ermüdbarkeit erreicht. TRNS führte nur in Kombination mit Fingertapping zu einer Zunahme der CSE. Zusammenfassung: Nach Validierung der Reliabilität der Messmethoden nTMS für CSE und Fingertapping für motorische Ermüdbarkeit konnte die zentralmotorische Funktion mittels tRNS moduliert werden, maßgeblich abhängig von dem zugrundeliegenden Zustand des motorischen Systems. Der fehlende Stimulationseffekt auf die motorische Leistung ist durch die optimale Performance der gesunden Studienpopulation erklärbar. Ob sich motorische Ermüdbarkeit bei Patienten mit z.B. Fatigue-Syndrom mittels transkranieller Hirnstimulation modulieren lässt und welche Stimulationsparameter hier entscheidend sind, sollte Gegenstand zukünftiger Studien sein.
Background: Motor fatigue, a parameter of motor performance, can be characterized and quantified in various tasks. In healthy subjects a sign of physiological effort, it can pose an early and impairing symptom in e.g. neurological diseases. To characterize motor fatigue, central and peripheral mechanisms need to be distinguished e.g. assessing corticospinal excitability (CSE) using transcranial magnetic stimulation (TMS). Transcranial electrical stimulation, e.g. random noise stimulation (tRNS) can be used to modify motor performance. The modification of motor fatigue by tRNS is subject of this work. Additionally, reliability of motor fatigue and CSE assessments were evaluated. Methods: The first methodological study (22 healthy subjects) investigates the reliability of central motor function assessment, i.e. variability of motor evoked potentials (MEP), using nTMS as compared to non-navigated TMS over the motor cortex. Non-physiological factors (tilt, roll and yaw) responsible for MEP-variability were identified and corrected for to increase accuracy. A second methodological study (30 healthy subjects) compares force sensor assessed motor fatigue in a fingertapping task to the standard assessment. Additionally, new parameters of motor fatigue such as tapping force were measured and analyzed. The third sham-controlled, randomized, double-blinded study (30 healthy subjects) investigates task specific modulation of motor function (CSE and performance) by tRNS while performing a fingertapping or a go/no-go task. Results: The first study showed higher reliability of CSE-assessment for nTMS as compared to non-navigated TMS. Thus, nTMS was shown to assess motor function with a high accuracy of space and time. In the second study, motor task performance was reliably assessed using the force sensor (intraclass correlation 0.88-0.91) and an increase of tapping force was measured. Here, the force sensor was shown to assess tapping parameters correlated to motor function and motor fatigue. The third study showed a fingertapping task specific modulation of motor function after tRNS with an increase of CSE. Conclusion: After validating nTMS to reliably assess CSE and the force sensor to assess motor fatigue in a fingertapping task, modulation of motor function using tRNS during a motor task was shown. Effects were highly dependent on the underlying brain state of the motor system. The lack of modulation of motor fatigue can be partly explained by the study population’s optimal performance (healthy subjects). If and to what extent transcranial brain stimulation methods can serve to modify motor function in patients with e.g. chronic fatigue syndrome remains to be elucidated and should be subject of further research.
