Langsam oszillierende Hirnstimulation im Schlaf: Auswirkungen bei älteren gesunden Personen und Patienten mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen auf Schlafphysiologie und Gedächtnis

Abstract

Schlaf spielt eine wesentliche Rolle bei der Festigung und Integration neu gelernter Informationen ins Langzeitgedächtnis, der sogenannten Gedächtniskonsolidierung. Mit zunehmendem Alter nehmen gedächtnisrelevante Schlafparameter, wie langsame kortikale Hirnwellen (< 1 Hz) und thalamo- kortikale Spindelaktivität (8-12 Hz), deutlich ab. Dies wird von einer Verschlechterung der deklarativen Gedächtniskonsolidierung begleitet. Besonders drastisch treten diese Veränderungen bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz und ihrem Vorstadium, der leichten kognitiven Beeinträchtigung (eng. mild cognitive impairment, MCI), auf. Das zentrale Anliegen dieser Arbeit war es daher eine nicht-invasive Behandlungsmöglichkeit zur Steigerung der Gedächtnisleistung zu erforschen, die an der Schlafphysiologie ansetzt. Wir untersuchten die Wirkung von langsam oszillierender transkranieller elektrischer Hirnstimulation (so-tDCS) im Schlaf auf gedächtnisrelevante Hirnaktivitätsmuster und deklarative Gedächtniskonsolidierung bei älteren gesunden Personen und MCI-Patienten. So- tDCS wurde während eines 8-stündigen Nachtschlafs (Studie 1) und eines 90-min Nachmittagsschlafs (Studie 2) bei älteren gesunden Personen angewendet, und ihre Gedächtnisleistungen in einer visuellen, räumlichen und verbalen Aufgabe vor und nach dem Schlaf im Vergleich zur Scheinbedingung getestet. In Studie 3 untersuchten wir den Einfluss von so-tDCS während des Nachmittagsschlafs bei Patienten mit MCI unter Verwendung derselben Aufgaben. In allen drei Studien wurde mithilfe der Elektroenzephalographie die Aktivität des Gehirns während des Schlafs erfasst und unmittelbare Wirkungen von so-tDCS auf Spindel- und langsam oszillierende Aktivität ausgewertet. In der Studie 3 widmeten wir uns zusätzlich der Stimulationswirkung auf die zeitliche Koordination dieser beiden gedächtnisassoziierten Oszillationen, da kürzliche Arbeiten auf die Bedeutung dieses Mechanismus für die langfristige Speicherung von Erinnerungen hindeuten. Die Stimulation bewirkte einheitlich positive unmittelbare Stimulationseffekte auf langsam oszillierende Hirnaktivität sowie Spindelaktivität bei älteren gesunden Personen und MCI-Patienten (Studien 1-3). In Bezug auf Gedächtnisleistungen, führte so-tDCS im Nachmittagsschlaf zu signifikanten Verbesserungen in der Wiedererkennung von Bildern bei älteren gesunden Probanden und bei Patienten mit MCI (Studie 2 und 3), während so-tDCS in der Nacht unerwartet einen negativen Effekt auf dieselbe Gedächtnisleistung am nächsten Morgen bei älteren gesunden Probanden bewirkte (Studie 1). Räumliche und verbale Gedächtnisleistungen blieben von der Stimulation im Schlaf in allen drei Studien unbeeinflusst. In Studie 3 konnten wir zudem zeigen, dass so-tDCS die funktionelle Kopplung zwischen langsamen Oszillationen und Spindeln signifikant steigert, und tendenziell mit der Gedächtnisverbesserung in der visuellen Aufgabe assoziiert ist. Diese Ergebnisse zeigen einen gut verträglichen therapeutischen Ansatz für altersbedingte Verschlechterungen der Schlafphysiologie und Gedächtnisdefizite nicht nur bei älteren gesunden Personen, sondern insbesondere bei Patienten mit MCI, und fördern zudem unser Verständnis über die Mechanismen der schlafabhängigen Gedächtniskonsolidierung.

Sleep plays an essential role in the consolidation and integration of newly acquired information into long-term memory. During aging memory-relevant sleep parameters, such as cortical slow oscillations and thalamo-cortical spindle activity, decrease, accompanied by a decline in declarative memory consolidation. These changes are profoundly accelerated in neurodegenerative diseases, in particular Alzheimer's dementia and its precursor mild cognitive impairment (MCI). The aim of this thesis was therefore to investigate a non- invasive treatment method to increase memory performance – and possibly the progression of Alzheimer’s disease – by targeting sleep physiology. We investigated the potential of slow oscillatory transcranial direct current stimulation (so-tDCS) during sleep to modulate memory-relevant activity patterns and memory consolidation in healthy older adults and patients with MCI. So-tDCS was applied during an eight hour night-time sleep (study 1) and during a 90-minute daytime nap (study 2) in healthy older adults, and memory performance was tested in a visual, spatial as well as verbal memory task before and after sleep. In study 3 we examined the influence of so-tDCS during an afternoon nap in patients with MCI using the same tasks. To evaluate the impact of so-tDCS on sleep physiology, brain activity during sleep was assessed by means of electroencephalography and immediate effects of so-tDCS on spindle and slow oscillatory activity were evaluated. We further assessed the stimulation effect on the temporal coordination of these memory-relevant sleep oscillations (study 3), a mechanistic component considered crucial for the transfer of memories from hippocampus to cortical long-term storage networks. Stimulation consistently induced positive immediate effects on slow oscillatory brain activity as well as spindle activity in healthy older adults and patients with MCI (studies 1-3). Regarding memory performance, so-tDCS during a daytime nap significantly improved picture recognition memory in healthy elderly as well as in MCI patients (study 2 and 3), while the application during nighttime sleep unexpectedly resulted in a negative visual recognition memory effect (study 1). No influence of so-tDCS was observed on spatial and verbal memory performance. In study 3 we showed that so-tDCS significantly increases the functional coupling between slow oscillations and spindles, which tended to show an association with memory enhancement due to so-tDCS. These results demonstrate a well-tolerated therapeutic approach for age-related deterioration in sleep physiology and memory deficits not only in healthy older individuals but also in MCI patients. In addition, they advance our understanding of the mechanisms underlying sleep-dependent memory consolidation.