Einfluss von so-tDCS auf die Gedächtniskonsolidierung im (Nap) Schlaf bei älteren gesunden Probanden: Exploration verschiedener Faktoren (Aufgabencharakteristika und interindividuelle Unterschiede) bezüglich der Ansprechbarkeit auf elektrische Hirnstimulation

Abstract

Einleitung: Mit zunehmendem Alter kommt es parallel zu Veränderungen im Schlaf und Gedächtnis. Schlaf hat eine wichtige Rolle für die Gedächtniskonsolidierung. Transkranielle Hirnstimulationen zeigte sich in Untersuchungen als nützlich für die Verbesserung unterschiedlicher kognitiver Funktionen. Durch eine langsame oszillierende transkranielle Hirnstimulation (so-tDCS) angewandt während des Schlafes konnte in einigen Studien eine Verbesserung der Gedächtnisleistung, vor allem bei jungen Menschen gezeigt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von so-tDCS auf die Gedächtniskonsolidierung und verschiedene Schlafparameter während des Nachmittagsschlafes bei älteren gesunden Probanden zu untersuchen. Zusätzlich wurden interindividuelle Unterschiede und Aufgabencharakteristika in Bezug auf die Ansprechbarkeit exploriert. Methodik: Eine verbale Paar-Assoziations- Gedächtnisaufgabe wurde im Rahmen einer Einfachblindstudie im Cross-over Design mit 18 älteren gesunden Probanden (10 Frauen, Alter: 64,2 ± 5) durchgeführt. 40 semantisch verbundene Wortpaare wurden gelernt und nach einem 90-minütigen Nap mit oder ohne so-tDCS (0,75 Hz, frontaler Kortex) abgefragt. Während des Schlafes wurde ein Elektroenzephalogramm zur Erfassung von so-tDCS Effekten auf Schlafparameter aufgezeichnet. Die Stimulation erfolgte fünfmal für jeweils fünf Minuten, unterbrochen von stimulationsfreien Ein-Minuten- Intervallen, in welchen die Power der langsamen Oszillationen (SO-Power) bestimmt wurde. Für explorative Analysen wurden die Probanden post-hoc in Responder und Non-Responder, je nach Verstärkung oder Verminderung der SO- Power durch so-tDCS, aufgeteilt. Statistische Unterschiede zwischen Stimulation und Placebo sowie Gruppenunterschiede wurden mit Mittelwertvergleichen und Interaktionseffekte mit einer rm-ANOVA getestet. Ergebnisse: So-tDCS während eines Naps hatte keinen Effekt auf die Gedächtnisleistung in einer verbalen deklarativen Gedächtnisaufgabe bei älteren gesunden Probanden (p>.05). Es zeigte sich eine signifikante Abnahme der Tiefschlafstadien beim Schlaf mit so-tDCS sowie eine Verstärkung der SO- Power in den stimulationsfreien Ein-Minuten-Intervallen. Die Unterteilung in Responder und Non-Responder ergab keinen Unterschied der beiden Gruppen bezüglich der Aufgabencharakteristika. Während der Schlaf der Responder durch die Stimulation wenig beeinflusst wurde, zeigte sich bei den Non-Respondern eine Zunahme der Wachphasen und eine Abnahme des Anteils des Schlafstadiums 2 bei Anwendung von so-tDCS. Responder erbrachten eine bessere Leistung im Bereich des Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnisses. Schlussfolgerung: Diese Studie konnte die Ergebnisse einer vorherigen Studie, welche einen positiven Effekt von so-tDCS während des Nachmittagsschlaf auf die Gedächtnisleistung bei älteren Probanden darstellen konnte, nicht bestätigen. Gründe hierfür könnten Veränderungen in der gestellten Aufgabe (stärkere semantische Verknüpfung der Wortpaare), im Stimulationsprotokoll oder eine Abnahme der schlafabhängigen Konsolidierung mit steigendem Alter sein. Zukünftige Studien sollten langfristige Effekte von so-tDCS auf das Gedächtnis untersuchen und das unterschiedliche Ansprechen von Probanden (interindividuelle Unterschiede) auf elektrische Hirnstimulation verstärkt beachten.

Introduction: While aging changes in sleep and memory are observed. Sleep plays a crucial role for the consolidation of memories. Transcranial brain stimulation has been shown to be a useful tool to improve cognitive functions. Slow oscillating transcranial stimulation (so-tDCS) applied during sleep showed a benefit for declarative memory in some studies, mainly for young adults. It was therefore the objective of the present study to investigate the influence of so-tDCS, applied during a nap on the consolidation of declarative memories and sleep parameters in elderly people. Furthermore, we explored possible influences of the given task and interindividual characteristics to explain the responsiveness. Methods: 18 healthy human subjects (age: 64,2 ± 5; 10 female) were included in this single-blinded study and tested in a cross- over design. Memory was assessed using a verbal word-pair association task. 40 semantic related word pairs were learned before and remembered after a 90-minute nap with and without so-tDCS (0,75 Hz, frontal cortex). Stimulation was applied 5 times, each for 5 minutes, separated by a stimulation-free minute. Throughout the sleep electroencephalographic activity was recorded to evaluate immediate effects. For exploratory analyses we divided subjects in responder and non-responder depending on whether the stimulation increased the power of slow oscillation (SO-Power) in the stimulation-free minutes. Differences between the two naps and group differences were tested using mean comparisons. To evaluate interaction effects, we used a rm-ANOVA. Results: So- tDCS had no effect on verbal memory if applied during a nap. The time spent in slow wave sleep was decreased when so-tDCS was used although there was an increase in SO-Power. The responder and non-responder did not differ regarding performance in the verbal memory task. While the sleep of responder was nearly not affected, non-responder spent less time in sleep stage 2 and more time awake when so-tDCS was applied. Responder showed a better performance in short-term and working memory tasks. Conclusion: The present study was not able to confirm the result of a previous study, which had shown a benefit of so-tDCS on the declarative memory in elderly people if applied during a nap. Reasons could have been changes in the given task (stronger semantic associations between word pairs), the stimulation protocol or a reduced functional role of sleep on memory consolidation in aging. Future studies should focus on long-term influences of so-tDCS and the identification of characteristics, which explain the different responses of individuals to transcranial stimulation.