Hirnzustandsabhängige Wirkmechanismen transkranieller elektrischer Hirnstimulation auf die motorische Funktion

Abstract

Hintergrund: Transkranielle elektrische Hirnstimulation ist eine nicht-invasive Methode zur Modulation und Verbesserung motorischer Funktion beim Menschen. Stimulationseffekte sind sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Patienten nach einem Schlaganfall und inkompletter Parese nachgewiesen. Allerdings sind die Wirkmechanismen transkranieller elektrischer Hirnstimulation nicht vollständig verstanden und je nach Art der Läsion und Wahl der Stimulationsverfahren variieren die Effekte noch zu sehr, als das eine routinemäßige Anwendung empfohlen werden könnte. Vor diesem Hintergrund untersuchte ich die Interaktion zwischen endogener neuronaler Aktivität und exogen applizierter transkranieller elektrischer Hirnstimulation. Studie I untersuchte modellhaft am visuellen System den Einfluss von Wechselstromund Rauschstromstimulation auf neuronale Oszillationen im Alpha-Bereich (8-12 Hz). Studie II untersuchte die erregbarkeitsabhängigen Stimulationseffekte von Rauschstromstimulation im motorischen System. Eine Anschlussstudie (Studie III) entwickelte auf Grundlage eines nicht-invasiven Kraftsensors ein hochauflösendes Maß zur Quantifizierung endogener Hirnzustände für zukünftige Stimulationsstudien im klinischen Kontext.

Methoden: In Studie I erfolgte die Wechselstromstimulation mit 10 Hz und die Rauschstromstimulation über periorbitale Elektroden zur Stimulation des okzipitalen Kortex über retinofugale (visuelle) Bahnen. Aus EEG-Messungen zwischen Stimulationsblöcken wurden die mittlere und maximale Leistung im Alpha- Frequenzspektrum (8-12 Hz) berechnet. In Studie II, einer Placebo-kontrollierten, doppelblinden und randomisierten Studie, erfolgte die Rauschstromstimulation über dem dominanten (meist linkshemisphärischen) primär-motorischen Kortex während der Ausführung von zwei motorischen Aufgaben (Fingertapping und Go/No-Go-Aufgabe). Änderungen der motorischen Leistungsfähigkeit und der kortikospinalen Erregbarkeit wurden erfasst. Studie III erweiterte das binäre Standardgerät für Fingertapping (Morsetaster) um einen Kraftsensor, mit dem dann Intertap-Intervalle mit einer kontinuierlichen Abtastrate erfasst werden konnten. Zudem konnten Kraftmaße wie die Dauer der Taps und Maximalkraft quantifiziert werden.

Ergebnisse: In Studie I konnte nach Wechselstromstimulation eine Alpha-Leistungsverbesserung ohne Frequenzanpassung zur Stimulationsfrequenz nachgewiesen werden. Studie II zeigte aufgabenabhängige dissoziierte Effekte der Rauschstromstimulation, die nahelegen, dass der vorherrschende Hirnzustand verstärkt wird. Studie III zeigte die methodische Überlegenheit eines Kraftsensors zur Messung motorischer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Morsetaster.

Zusammenfassung: Die Interaktion zwischen endogener neuronaler Aktivität und exogen applizierter transkranieller elektrischer Hirnstimulation ist nuancierter als bisher angenommen. Stimulationseffekte sind maßgeblich vom Hirnzustand während der Stimulation abhängig. Wir identifizieren relevante Einflussfaktoren, sowie passende Stimulationsund Messparameter für die zuverlässigere Modulation motorischer Funktion. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung adaptiver Stimulationsverfahren zur Echtzeitanpassung der transkraniellen elektrischen Hirnstimulation an die sich stets dynamisch verändernde globale Hirnaktivität.

Background: Transcranial electrical brain stimulation is a non-invasive method for modulation and enhancement of motor function in humans. Stimulation effects have been shown in healthy subjects and patients after stroke and incomplete paresis. Nevertheless, underlying mechanisms of transcranial electrical brain stimulation are not completely understood and variability of effects depending on lesion type and stimulation method limit routine application. The studies compiled in this dissertation investigate the interaction between endogenous neural activity and exogenous applied transcranial electrical brain stimulation in healthy subjects. Study I investigated the effects of alternating current and random noise stimulation on neural oscillations in the visual system in the alpha-range (8-12 Hz). Study II investigated the excitability-dependent effects of random noise stimulation in the motor system. A follow-up study (study III) developed a high-resolution measure based on a force sensor to quantify endogenous brain states for future stimulation studies.

Methods: In study I, alternating current stimulation at 10 Hz and random noise stimulation were applied via periorbital electrodes to stimulate the occipital cortex via retinofugal (visual) pathways. The mean and maximum power in the alpha frequency spectrum (8-12 Hz) were calculated from EEG measurements between stimulation blocks. In study II, a double-blind randomized-controlled study, random noise stimulation was applied over the dominant (mostly left hemispheric) primary motor cortex during the execution of two motor tasks (fingertapping and go/no-go task). Changes in motor performance and corticospinal excitability were recorded. Study III enhanced the binary standard device for fingertapping (telegraph key) using a force sensor, which measured intertap-intervals with a continuous sampling rate and added supplementary force measures (tap duration, maximum force).

Results: In study I, after alternating current stimulation, an alpha-power enhancement without frequency shift to the stimulation frequency could be observed. Study II showed taskdependent dissociated effects of random noise stimulation, suggesting that the predominant brain state is enhanced. Study III showed the methodological advantage of a force sensor to measure motor performance compared the standard tapping device.

Conclusion: The interaction between endogenous neuronal activity and exogenously applied transcranial electrical brain stimulation is more nuanced than previously thought. Stimulation effects are crucially dependent on the brain state during stimulation. We identify relevant influencing factors as well as suitable stimulation and measurement parameters for more reliable modulation of motor function. These insights are the foundation for the development of adaptive closed-loop stimulation techniques for realtime optimization of transcranial electrical brain stimulation to dynamically shifting brain states.