Einfluss verschiedener transkranieller Stimulationsverfahren auf die kortikale Exzitabilität
Investigating the effects of different transcranial stimulation methods on cortical excitability.
by Georg Fritzsche
Date of Examination:2010-11-17
Date of issue:2010-11-05
Advisor:Prof. Dr. Andrea Antal
Referee:Prof. Dr. Knut Brockmann
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Studies concerned with research on neuroplasticity are currently using different methods for transcranial stimulation (TMS) of the intact cortex. The common aim of these methods is the induction of alterations in the excitability of the brain which leads to activity-dependent modifications of synaptic transmission. Most of the studies report forceful effects of each individual stimulation method; however a conclusive comparison of all of these methods is still missing. The aim of the present study was to compare the efficacy of two well-known types of stimulation (transcranial direct current stimulation and intermittent theta burst stimulation) and a recently introduced new transcranial stimulation technique: random noise stimulation. The aim was to compare all three methods to a sham-stimulation condition within one subject group. The cortical representation of a small hand muscle in twelve participants was stimulated using single-pulse TMS over four experimental sessions. In a pseudo-randomized order after baseline acquisition, one of the four stimulation conditions: 10 minutes tDCS, 10 min tRNS, 3 minutes iTBS, or 10 minutes sham was applied. The effect of each stimulation condition was quantified by evaluating motor-evoked-potential (MEP) amplitudes and measured using single-pulse TMS in a fixed time sequence (0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90 minutes). The analyses of the MEP-data revealed a significant enhancement in the excitability of the cortex caused by all three types of stimulation compared to sham stimulation. Interestingly, the time course of the excitatory effects differed among the stimulation methods. A 90 minute increase of enhanced excitability was found only when applying tDCS; a result which contrasts previous findings. Unfortunately, this increase in excitability between types of stimulation did not reach significance. Thus, the assumption of recent studies that the multiple opening of sodium channels caused by random noise may lead to a substantial increase in excitability of the cortex co uld not be verified with the present data. However, the present finding of varying time courses of the applied stimulation methods suggests that the assumption of different mechanisms of action is still reasonable. Assessing these in detail may be a useful approach for further research into optimizing transcranial stimulation techniques for use within a clinical setting.
Keywords: tRNS; tDCS; iTBS; neuroplasticity; transcranial stimulation; TMS; motor-evoked-potential
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Zur Erforschung der Neuroplastizität werden verschiedene Verfahren zur transkraniellen Stimulation des Kortex eingesetzt. Ziel aller Verfahren ist die Veränderung der Exzitabilität des Gehirns, was zu aktivitätsabhängiger Modifikation synaptischer Übertragung führt. Viele Studien berichten wirkungsvolle Effekte einzelner Stimulationsarten, ein abschließender Vergleich der verschieden Methoden fehlt bis heute. Ziel der vorliegenden Studie war es an einem Probandenkollektiv, die Effektivität zweier umfangreich untersuchten Stimulationsarten (Gleichstromstimulation und intermittierende Thetaburststimulation) und einer kürzlich entwickelten neuen Rauschstrommodalität miteinander zu vergleichen und gegen eine Sham-Stimulation abzugrenzen. In 4 separaten Sitzungen wurde bei 12 Studienteilnehmern das kortikale Repräsentationsareal eines kleinen Handmuskels mit Einzelpuls-TMS stimuliert. Nach Aufzeichnung der Baseline kamen in pseudorandomisierter Reihenfolge 10 min transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS, 1 mA), 10 min Rauschstromstimulation (tRNS, 1 mA), 3 min intermittierende Thetaburststimulation (iTBS, 600 Pulse) oder eine zehnminütige Sham-Stimulation zur Anwendung. Die Effektivität jeder einzelnen Stimulation wurde durch eine EMG-Ableitung der motorisch evozierten Potentiale am betreffenden Muskel quantifiziert und in festen Abständen (0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90 Minuten) mittels Einzelpuls-TMS kontrolliert. Die Analyse der EMG-Daten zeigte, dass alle drei Stimulationsarten die Exzitabilität des Kortex im Vergleich zur Sham-Stimulation signifikant erhöhten. Interessanterweise unterscheidet sich hierbei der zeitliche Verlauf der erzielten exzitatorischen Effekte zwischen den Stimulationsarten. Im Gegensatz zu Voruntersuchungen konnte eine mindestens 90 minütige Erhöhung der Exzitabilität des Kortex ausschließlich für die der Gleichstromstimulation gefunden werden. Weitere Ergebnisse ergaben jedoch kein Unterschied im Betrag der Exzitabilitätserhöhung zwischen den einzelnen Stimulationsarten. Die in ei ner vorherigen Studie geäußerte Annahme, dass die multiple Öffnung von Natriumkanälen durch die Rauschstromstimulation zu substantiell höheren Effekten auf den Kortex führen könnte, konnte mit den Befunden der vorliegenden Studie nicht bestätigt werden Die unterschiedlichen zeitlichen Verläufe der Stimulationsarten legen auch weiterhin die Vermutung unterschiedlicher zugrunde liegender Wirkmechanismen nahe. Diese zu erforschen und die klinische Anwendung dieser entwicklungsfähigen Stimulationstechniken vorzubereiten sollte das Ziel weiterer experimenteller Untersuchungen auf dem Gebiet der transkraniellen Stimulation sein.
Schlagwörter: tRNS; tDCS; iTBS; Neuroplastizität; transkranielle Stimulation; TMS; motorisch evoziertes Potential