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Auswirkungen der Stimulation des menschlichen Motorkortex mit randomisiertem Strom auf die kortikospinale Erregbarkeit

Effects of transcranial random noise stimulation of human motor cortex on corticospinal excitability

by Susanne Tewes
Doctoral thesis
Date of Examination:2010-06-16
Date of issue:2010-10-21
Advisor:PD Dr. Andrea Antal
Referee:Prof. Dr. Knut Brockmann
Referee:Prof. Dr. Dr. Thomas Crozier
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3534

 

 

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Abstract

English

For several years methods of non-invasive stimulation have been used to induce neuroplasticity in the human motor cortex. TDCS and rTMS have been proven to change corticospinal excitability. This study will survey the effects of tRNS on MEP-amplitude and CSP-duration. The results will be compared to those from other non-invasive stimulation techniques. tRNS is a novel method whereby a random electrical oscillation spectrum is applied over the human motor cortex. The effect on MEPs and CSPs is evaluated directly (0 minutes) and 40 minutes after the stimulation. In this study, tRNS was only applied on the left M1, while MEPs and CSPs were measured on both sides. The measurements were made after a stimulation-duration of 4 minutes, 10 minutes and after sham-stimulation on three different days on twelve volunteers. There was no significant change after 4-minute-tRNS for the right hand, but on the contralateral side an excitatory effect was shown (p=0,001). After 10-minute-tRNS, MEPs, evoked from the stimulated cortex, were significantly enlarged (p=0,027) with an enhancement after 40 minutes (p=0,0063). MEPs evoked from the contralateral side remained unchanged after 10-minute-tRNS. No significant changes in CSP-duration, neither after 4- nor 10-minute-tRNS, were detected, there was merely a trend after 10-minute-tRNS: CSP was slightly shortened (p=0,097). In comparison to the findings with tDCS and rTMS we can say that MEPs, evoked from the stimulated side, were influenced by all of these stimulation techniques, while findings for MEPs from contralateral side show varying results. TRNS doesn’t have an influence on CSP-duration, while rTMS does. Previous studies suggest that the tRNS-effects could be based on the activation of glutamatergic synapses, which accords to the findings in this present study. Furthermore, stochastic resonance may play a decisive role in the effectiveness of tRNS.
Keywords: tRNS; non-invasive stimulation; neuroplasticity; TMS; CSP; MEP

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Schon seit Jahrzehnten wird an Methoden geforscht, mit nicht-invasiven Stimulationstechniken Neuroplastizität zu erzeugen. Sowohl durch tDCS als auch durch rTMS konnte nachhaltig die kortikospinale Erregbarkeit verändert werden. In dieser Arbeit soll die Auswirkung von tRNS auf die MEP-Amplitude und die CSP-Dauer untersucht werden, um diese Ergebnisse anschließend mit denen anderer nicht-invasiver Stimulationstechniken zu vergleichen. TRNS ist eine neue Methode der nicht-invasiven Kortexstimulation, bei der ein randomisiertes elektrisches Oszillationsspektrum auf den M1 appliziert wird. Dabei wird die Veränderung der oben genannten Parameter unmittelbar (0 Minuten) und 40 Minuten nach der Applikation von tRNS im Vergleich dieser vor Stimulation betrachtet. Die Stimulation mit randomisiertem Strom erfolgt dabei nur auf den linken M1, wobei die MEPs und die CSPs sowohl von der kontralateralen als auch von der ipsilateralen Seite abgeleitet wurden. Untersucht wird der Effekt nach einer Stimulationsdauer von 4 Minuten, 10 Minuten und einer Placebostimulation an jeweils zwölf gesunden, freiwilligen Probanden an drei unterschiedlichen Tagen. Nach vierminütiger Kortexstimulation mit tRNS zeigt sich bei der MEP-Amplitude der rechten Hand keine signifikante Veränderung, wohingegen sich auf der kontralateralen, nicht stimulierten Seite ein exzitatorischer Effekt zeigt (p=0,001). Nach zehnminütiger Stimulation sind die MEP-Amplituden, die von der stimulierten Seite evoziert wurden, signifikant vergrößert (p=0,027), mit einer Verstärkung nach 40 Minuten (p=0,0063). Die MEPs der kontralateralen Seite blieben nach 10-Minuten-tRNS unverändert. Die CSP war zu keinem der Messzeitpunkte nach vier- oder zehnminütiger tRN-Stimulation signifikant verändert. Es gibt lediglich einen Trend: nach 10-Minuten-tRNS ist die CSP vom nicht stimulierten Kortex leicht verkürzt (p=0,097). Im Vergleich zu den Ergebnissen von tDCS und rTMS kann festgestellt werden, dass die MEPs der stimulierten Seite beeinflussbar sind, wohingegen es unterschie dliche Ergebnisse für die der kontralateralen Seite gibt. Die CSP konnte nicht durch tRNS, aber durch rTMS verändert werden. In einer vorausgegangen Studie mit tRNS wurde als möglicher Wirkmechanismus die Beteiligung von glutamatergen Synapsen vermutet, was auch durch die Erkenntnisse dieser Arbeit bestärkt werden kann. Des Weiteren scheint die stochastische Resonanz eine entscheidende Rolle zu spielen.
Schlagwörter: tRNS; nicht-invasive Stimulation; Neuroplastizität; TMS; CSP; MEP
 

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