Vorlesung Nicht- invasive Neurostimulation

• direkte Stimulation - keine Messung

• räumliche Auflösung ähnlich wie bei Läsionsstudien aber prinzipiell nicht so gut

• zeitlich sehr gut (schlechter als MEG, EEG) besser als Läsionsstudien

• Epilepsie ist Ausschlusskriterium aber generell sehr sichere Methode

• TMS = transcranial magnetic stimulation

• Basiert auf Prinzip der elektromagnetischen Induktion

• Stromdurchflossene Spule erzeugt Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung

• Magnetfeld passiert Haut/Schädeldecke -> elektrisches Feld im Gewebe

• Auslösung von Aktionspotenzialen in kortikalen Neuronen

Positionierung der Spule

• Ziel: tangentiale Platzierung der Spule + räumliche genaue und replizierbare Stimulation

TMS Stimulationsprotokolle:

• Single-pulse TMS (spTMS)

• Repetitive TMS (rTMS)

• Theta-burst TMS (TBS)

Single Pulse TMS (spTMS): Stimulation mit einzelnen Pulsen

• Motorkortex -> Motor Evoked Potentials (MEPs)

• Visueller Kortex -> Phosphenes (visuelle Empfindungen)

• Effekt hängt evtl. vom Zeitpunkt der Stimulation ab –bahnende Wirkung vor und hemmende Wirkung nach dem Prozess (Silvanto et al., 2008)

rTMS

• Länger andauernde Stimulation mit bestimmter Intensität und Frequenz

  -> Effekte überdauern die Stimulationsdauer

  -> wird auch als potenzielles therapeutisches Tool diskutiert

• Je nach Stimulationsfrequenz kann rTMS bahnende oder hemmende Wirkung haben

• Frequenzen über 5Hz -> Senkung der Motorschwelle (erhöhte Erregbarkeit), LTP-ähnliche Prozesse

• Frequenzen unter 1Hz -> Erhöhung der Motorschwelle (reduzierte Erregbarkeit), LTD-ähnliche Prozesse

Theta-burst Stimulation (TBS)

• Neuere Form der rTMS

• Kurze Pulsabfolgen von z.B. 50Hz (bursts) alle 200ms (5Hz -> Theta-Frequenzband)

• Continuous TBS (cTBS): keine Pausen zwischen den einzelnen bursts

• Intermittent TBS (iTBS): mehrere Sekunden Pause zwischen den Bursts

Unterschiedliche Kontrollbedingungen möglich

• Stimulation in einem anderen Zeitfenster

• Stimulation an einem anderen Ort

• „sham“ Stimulation – „scheinbare“ Stimulation des Zielareals (gleicher akustischer Reiz wie echte Stimulation)

• Ein anderer Task

• Ein anderer Stimulus

TMS und funktionelle Bildgebung

• TMS kann prinzipiell mit fMRT/EEG kombiniert werden

• „Offline“: Region wird mittels rTMS vor der Aufgabe gestört oder erregt, danach werden die Effekte mittels fMRT/EEG gemessen

• „Online“: spTMS während der:die Proband:in eine Aufgabe im fMRT/EEG durchführt

• Gleichzeitige Durchführung von TMS und fMRT/EEG ist technisch möglich, aber sehr schwierig bzw. aufwändig

Beispielstudien TMS

• Single-pulse TMS und visuelle Wahrnehmung (Amassian et al., 1989)

• Theta-burst TMS (TBS) und Erregbarkeit des motorischen Kortex (Huang et al., 2005)

• TMS-fMRT Studie zum Arbeitsgedächtnis (Feredoes et al., 2011)

  
  

Studie TMS und visuelle Wahrnehmung:

• Amassian et al. (1989: Einfluss von single-pulse TMS auf visuelle Wahrnehmung

• N = 4, MC (magnetic coil = TMS) Stimulation 2cm über dem Inion

• Aufgabe: 3 Buchstaben werden gezeigt, die von den Proband:innen reproduziert werden sollen

Ergebnisse:

• Interferenz von TMS mit Accuracy hängt vom Timing des TMS-Pulses ab

• Accuracy am geringsten bei Stimulation 80-100ms nach Reizpräsention

• TMS Stimulation über V1 führt dazu, dass keine Buchstaben mehr korrekt repliziert werden können

• TMS Effekt ist abhängig von der Stimulationsposition

• TMS im linken (rechten) visuellen Kortex beeinträchtigt Detektion der Buchstaben im rechten (linken) visuellen Feld

TMS und Plastizität des motorischen Kortex

• Vergleich versch. TBS Protokolle

• AV: Erregbarkeit des Motorkortex (Amplitude der motorisch-evozierten Potenziale, die durch single pulse TMS ausgelöst werden)

• Effekt versch. TMS Protokolle wird durch single pulse TMS gemessen

  
  

Vorteile von Theta-Burst TMS

• Effekte sind langanhaltend, aber reversibel

• Je nach Protokoll kann die kortikale Erregbarkeit erhöht werden (iTBS) oder reduziert (cTBS)

• Die Effekte treten schon nach sehr kurzer Stimulation auf (<1min bis wenige Minuten), verglichen mit 10-30min Stimulation bei „klassischer“ rTMS

TMS: Sicherheit

• Generell eine sehr sichere Methode

• Sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass durch Stimulation ein epileptischer Anfall ausgelöst wird

• Risiko einen Krampfanfall auszulösen ist 0.0% – 3.6% in Epileptiker:innen (Klooster et al. 2016)

• Epilepsie ist Ausschlusskriterium

• Vereinzelte Berichte von epileptischen Anfällen in Gesunden; Grund: neurologische Vorerkrankungen

TDCS

• Transcranial Direct Current Stimulation

• Platzierung von zwei relativ großflächigen Elektroden auf der Kopfhaut: Anode (+) und Kathode (-)

• Anionen (-) wandern zur Anode (+) • Kationen (+) zur Kathode (-)

• Wirkung kann deutlich länger anhalten als die Stimulation

Wie funktioniert TDCS?

• Im Gegensatz zu TMS: keine überschwellige Aktivierung, die direkt Aktionspotentiale auslöst

• Es wird davon ausgegangen dass TDCS das Ruhepotential der Neuronen verschiebt, und so deren Erregbarkeit beeinflusst:

  -> Anodale TDCS -> Depolarisation; Auslösung von Aktionspotentialen wird erleichtert

  -> Kathodale TDCS -> Hyperpolarisation; Auslösung von Aktionspotentialen wird erschwert

• Die über die Stimulationsdauer wirkenden Effekte hängen evtl. mit LTP/LTD zusammen: Blockade von NMDA-Rezeptoren verhindert die anhaltende Wirkung von TDCS

-> Anodale TDCS erhöht die spontane Feuerrate, kathodale TDCS reduziert sie

• Motorisch-evozierte Potenziale (ausgelöst durch single-pulse TMS) hängen von TDCS-Stimulationsart (anodal/kathodal) und Stimulationsdauer ab!

TDCS: Stimulation über V1

• Effekte von TDCS auf visuell-evozierte P100 Amplitude (EEG)

• anodale Stimulation: Amplitude steigt

• kathodale Stimulation: Amplitude sinkt

• Transcranial Alternating Current Stimulation

• Gleiches Prinzip wie TDCS; allerdings erfolgt eine oszillatorische Stimulation

• Dies ermöglicht, die Rolle bestimmter Frequenzbänder zu untersuchen (-> Sitzung zu EEG)

• Ozen et al. (2010): Kortikale Neuronen feuern in Phase mit oszillatorischer TACS Stimulation (entrainment)