Untersuchung neuronaler Korrelate der Wirksamkeit bihemisphärischer und unihemisphärischer Gleichstromstimulation des motorischen Cortex bei jungen gesunden Probanden

Abstract

Bihemisphärische transcranielle Gleichstromstimulation (engl. transcranial direct current stimulation, TDCS) des motorischen Cortex ist ein vielversprechendes Verfahren zur Unterstützung motorischen Lernens und Rehabilitation nach Schlaganfall. Bisherige Studien zeigten jedoch große interindividuelle Unterschiede im Ansprechen auf verschiedene Arten dieser nicht-invasiven Hirnstimulation. Da deren Ursache bisher nur unzureichend verstanden ist, untersuchten wir neuronale Korrelate von TDCS-Effekten auf motorisches Lernen mittels struktureller und funktioneller Magnetresonanztomographie (MRT). Bei 24 jungen gesunden Probanden wurden simultan zur Stimulation Resting State und aufgabenspezifische funktionelle MRT sowie Diffusion Tensor Imaging (DTI) in einer randomisierten, Placebo- kontrollierten, doppel-blinden Studie mit einem Cross-Over-Design durchgeführt. Wir verglichen zwei aktive Stimulationsbedingungen – bihemisphärische („duale“) und unihemisphärische anodale TDCS – mit der sog. Scheinstimulation. Während aufgabenspezifischer funktioneller MRT reagierten die Probanden auf visuell präsentierte Symbole mit Tastendruck des rechten oder linken Zeigefingers im choice reaction time task (CRTT). Hierbei wurden Aktivitätsänderungen im Bereich des linken primären motorischen Motorcortex in Form von β-Werten extrahiert und die Probanden abhängig von der höchsten Aktivität während dualer, anodaler oder Scheinstimulation in Responder-Gruppen eingeteilt. Im Vergleich zur Scheinstimulation zeigten die Dual- und Anodal- Responder eine durchschnittliche β-Wert Zunahme von je 86±55% und 126±55%. Des Weiteren konnte über DTI eine signifikant stärkerer Ausprägung trancallosaler motorischer Bahnen im Sinne einer stärkeren strukturellen Verknüpfung der beiden primären motorischen Cortices in der Gruppe der Dual- im Vergleich zu den Anodal-Respondern festgestellt werden. Im Resting State wurde während dualer TDCS im Vergleich zur Scheinstimulation eine ausgedehnte bihemisphärische Erhöhung der funktionellen Konnektivität beobachtet, die möglicherweise die Grundlage für die während aufgabenspezifischer MRT sichtbare bilaterale Disinhibition des motorischen Cortex darstellt. Im Gegensatz dazu zeichnete sich die anodale Stimulation durch eine lokale, unihemisphärische Modulation funktioneller motorischer Netzwerke aus. Die Effekte dualer TDCS können nicht durch eine Addition unihemisphärischer Effekte erklärt werden, sondern scheinen vielmehr durch komplexe bilaterale Beeinflussung funktioneller Netzwerke zu Stande zu kommen. Wie auch in früheren Studien waren die TDCS-Effekte auf die Aktivität des motorischen Cortex interindividuell sehr verschieden. Diese Variabilität scheint sich auf die unterschiedliche Ausprägung interhemisphärischer Verknüpfungen der motorischen Cortices zurückführen zu lassen, sichtbar in einer für duale Effekte notwendige starke Ausprägung transcallosaler Bahnen. Die Ergebnisse geben somit Aufschluss über die Wirkung der unterschiedlichen Stimulationsbedingungen und helfen, die große interindividuelle Variabilität im Ansprechen auf TDCS zu erklären. Perspektivisch lassen sich hieraus Prädiktoren des Ansprechens auf verschiedene Arten der TDCS ableiten, die in Zukunft möglicherweise eine auf Patienten individuell zugeschnittene Stimulation im Rahmen der Rehabilitation motorischer Funktionen erlaubt.

Bihemispheric non-invasive motor cortex stimulation has shown promise for facilitating motor learning and recovery after stroke. However, previous studies yielded mixed results that can primarily be attributed to inter- individual variability in response. We therefore aimed at investigating neural correlates of bihemispheric transcranial direct current stimulation (tDCS) effects using multimodal magnetic resonance imaging (MRI). Twenty-four young healthy adults underwent diffusion tensor imaging (DTI), resting state and task-related functional MRI in a randomized sham-controlled, double-blind study using a triple cross-over design. We compared two active stimulation conditions—bihemispheric (or “dual”) and unihemispheric anodal tDCS—with sham tDCS. The anode was placed over the left primary motor cortex in all conditions, and subgroups of responders were defined according to task-related activity in this area while subjects pressed a response button with their right index fingers during a choice reaction time task. Compared to sham, “dual responders” and “anodal responders” were characterized by mean beta value increases of 86±55% and 126±55%, respectively. In line with electrophysiological studies, tDCS effects on motor cortex activation appeared to be highly variable across the group. At rest, dual tDCS caused widespread bihemispheric alterations of functional connectivity, possibly mediating its most striking effect, which consisted of bilateral motor cortex disinhibition during the task-related functional MRI. In contrast, unihemispheric anodal tDCS was characterized by more local modulations of functional motor networks. As in aging and after stroke, the impact of dual tDCS on the motor system in young adults seems to depend on the microstructural status of transcallosal motor tracts as well. In sum, these results shed light on the neural correlates of dual and anodal tDCS effects in young adults and help explaining the great inter-individual variability in response.