Effekte der transkraniellen Wechselstrom Stimulation auf Primärbewegungsrinde durch Online-kombinierter Ansatz mit Transcranial magnetische Anregung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Modulation laufender Effekte einer transkraniellen Wechselstromstimulation mittels Einzelpfad-transkranieller magnetischer Stimulation in einem neuartigen online kombinierten Ansatz zu bewerten. Die transkranielle elektrische Stimulation ist eine neuromodulatorische Technik, die neuronale Zustände durch unterschiedliche Stromwellenformen beeinflusst. Sie wird häufig in der Neurowissenschaft verwendet, um motorische und kognitive Hirnfunktionen zu untersuchen.

Die am häufigsten verwendeten Ansätze basieren auf Gleichstromstimulation, Rauschstimulation und Wechselstromstimulation, die in der Lage sind, Veränderungen in der neuronalen Aktivität hervorzurufen. Sowohl innerhalb als auch außerhalb der Neuronen führen sie zu einer Veränderung des Ruhepotentials der Membran und verändern dadurch die synaptische Effizienz der Neuronen. Mit TACS können wir ein sinusförmiges, externes oszillatorisches Potential in einem bestimmten Frequenzbereich applizieren.

Durch die Induktion des sogenannten Entrainment-Effekts auf die endogene oszillatorische Aktivität. Hier stellen wir eine neuartige Methode vor, die TACS und Einzelweg-CMS während der laufenden Stimulation des primären motorischen Kortex kombiniert. Die Methode ermöglicht es uns, die Effekte einer Wechselstromstimulation am primären motorischen Kortex online mittels durch Einzelimpuls-TMS hervorgerufener motorisch evozierter Potentiale zu testen.

Wir zeigen eine komplette Ausrüstung, die erforderlich ist, um ein online kombiniertes TACS-TMS-Protokoll durch Stimulation der primären motorischen Rinde durchzuführen. Die Liste der Ausrüstung umfasst ein elektrisches Stimulationsgerät, das elektrischen Wechselstrom erzeugen kann, beispielsweise BrainStim. Verbunden über zwei Oberflächenelektroden aus Salzlösung-getränkten Schwämmen mit einer Größe von fünf bis sieben Zentimetern.

Um die Hautempfindung zu minimieren, werden die Elektroden vollständig mit der Kochsalzlösung gesättigt, um die Impedanz während der gesamten Stimulationsphase unter 10 Kiloohm zu halten. Die Ziel-Elektrode wird über der Kopfhaut platziert, entsprechend dem Hotspot der primären motorischen Rinde, unter Verwendung spezifischer elastischer Riemen, während die Referenzelektrode über dem ipsilateralen Schultergelenk mit Klebeband befestigt wird, in einer sogenannten Monopol-Montage. Beim Menschen spiegeln Oszillationen in verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Verhaltensweisen und kognitive Prozesse wider, die verschiedenen Zuständen neuronaler Netzwerkaktivität zugrunde liegen.

Wie sie typischerweise mittels Elektroenzephalographie oder Magnetoenzephalographie gemessen werden. Oszillationen im menschlichen Gehirn reichen von ultralangsamen bis hin zu ultrarasanten Oszillationen. Sie sind gewöhnlich gleichzeitig vorhanden und können sich gegenseitig modulieren und beeinflussen.

Jedoch wurde der Zusammenhang zwischen oszillatorischer Aktivität und Gehirnprozessen bisher stets mit korrelativen Methoden hergestellt. Daher ist die Frage, ob Gehirnoscillationen direkt grundlegende Mechanismen der kortikalen Informationsverarbeitung widerspiegeln oder lediglich ein Epiphänomen darstellen, weiterhin ungeklärt. Mithilfe von tACS können wir Gehirnoscillationen kausal und frequenzspezifisch modulieren und dadurch die physiologische neuronale Aktivität beeinflussen, die mit Ruhezustand, Wahrnehmungs- und kognitiven Prozessen verknüpft ist.

Um das TCS-Protokoll mit dem BrainStim-Gerät einzurichten, überprüfen Sie zuerst den Batteriezustand. Anschließend werden die Stimulationsparameter mithilfe unserer speziellen Software angepasst: Frequenz, Dauer und Form des Stroms.

Und über eine Bluetooth-Verbindung an das Gerät übertragen. Mithilfe der Software eine neue Sitzung öffnen und ein neues Protokoll oder eine neue Stimulation verwalten. Beispielsweise wird das Protokoll als Beta benannt.

Stellen Sie die Frequenz der Stimulation ein, in unserem Fall 20 Hz, wählen Sie die Wellenform als sinusförmig und legen Sie die Gesamtdauer des Stimulationsprotokolls fest, beispielsweise 600 Sekunden. Stellen Sie abschließend die Stimulationsintensität auf 1 Milliampere ein, wobei Offset, Einschwingen, Ausschwingen und Übergang auf null gesetzt sind. Aktivieren Sie anschließend die Bluetooth-Funktion am Gerät und übertragen Sie das Protokoll von der Software auf den Stimulator.

Danach überprüfen, ob das Protokoll erfolgreich auf das Gerät übertragen wurde. Wechseln Sie nun zum TMS-Teil. Bringen Sie zunächst Elektroden für ein Oberflächen-EMG an, um motorisch evozierte Potentiale durch Einzelpuls-TMS zu messen.

Reinigen Sie die Haut unter allen Elektroden mit einem Peeling, um eine niedrige Hautimpedanz unter 10 Kiloohm zu erreichen. Hier haben wir einen ersten dorsal interossalen Muskel verwendet und eine bipolare Bauch-Sehnen-Montage angewandt. Plazieren Sie die aktive Elektrode auf dem Muskel, die Referenzelektrode zwei Zentimeter distal auf dem Knochen und die Erdungselektrode weiter proximal am Arm.

Motorische Blockade-Potentiale werden mit Silber-Silberchlorid-Elektroden gemessen, die über eine Anschlussbox mit dem BrainAmp DC-Verstärker verbunden sind. Zur korrekten Positionierung der TMS-Spule verwenden wir ein rahmenloses TMS-Navigationssystem, den LocalEye TMS Navigator. Zunächst platzieren wir die Trackingsensoren an der Vorderseite des Probanden.

Für die TMS-Stimulation verwenden wir einen magnetischen Stimulator im biphasischen Modus und eine H-förmige 75-Millimeter-Schwingspule für die rote Stimulationswicklung. Anschließend nutzen wir das strukturelle T1-MRT-Video des Probanden und erstellen mithilfe des Navigationssystems eine aktuelle Darstellung des Kopfes des Probanden im 3-D-MRT-Kopfmodell. Danach positionieren wir die Spule präzise über dem primären motorischen Areal des Kopfes, der sogenannten Motorknob-Region.

Danach beginnen Sie mit der Prüfung einzelner TMS-Motoriksperrpotentiale. Sobald ein optimaler Hotspot für die kortikale Repräsentation des untersuchten Handmodells gefunden ist, wird diese Position für die anschließende Platzierung der Ziel-Elektrode bei der TCS markiert. Passen Sie vorsichtig den ersten elastischen Riemen am Kopf in Bezug auf die Position der Kopfmitte an.

Danach nehmen Sie die Ziel-Elektrodenposition mit dem zweiten Streifen vor. Sobald die TCS-Elektroden sowohl am Schädel als auch am ipsilateralen Schulterbereich platziert sind, schließen Sie diese an den Stimulator an. Stellen Sie vor Beginn der Stimulationsession sicher, dass die Position der Ziel-Elektrode durch visuelle Kontrolle mittig über dem markierten Hotspot liegt.

Platzieren Sie dann die TMS-Spule über den TCS-Elektroden, indem Sie Intensität und Ausrichtung mithilfe der Neuro-Navigation neu justieren, um den Hotspot erneut zu finden. Bestimmen Sie an diesem Punkt die Methode der Ruheschwellenbestimmung für diese neue kombinierte TCS-TMS-Anordnung unter Berücksichtigung der Dicke der Ziel-Elektrode. Stellen Sie die Stimulationsintensität während des gesamten Experiments auf 110 % der individuellen Ruhe-Motorschwellen ein.

Die meisten TCS-Studien zeigten deutliche Onlinewirkungen; gleichzeitig gibt es jedoch noch keine klaren Belege für langanhaltende Effekte von TCS nach Beendigung der Stimulation. Nur wenige Studien in der Literatur zeigten schwache und unklare Nachwirkungen im Vergleich zu denen, die OnlinetCS verwendeten. Auch die EG-Beweise zu TCS-Nachwirkungen sind nicht eindeutig.

Es wurde in vivo gezeigt, dass der Aktivitätsschub mit verschiedenen Antriebsfrequenzen synchronisiert ist, was darauf hindeutet, dass die neuronale Feuerung durch elektrisch angelegte Felder eingependelt werden kann. Daher pendelet schwacher sinusförmiger TCS in tierischen Modellen die Entladefrequenz des weitverbreiteten kortikalen neuronalen Pulses ein. Bei Menschen zeigten neuere Untersuchungen, dass online-TCS einen Eingepfelungseffekt auf die EG-Signatur hervorrufen kann.

Jedoch ist der TCS-EG-Ansatz weiterhin fragwürdig, zunächst aufgrund der durch den Wechselstrom verursachten Artefakte und zweitens, weil es praktisch nicht möglich ist, das EG-Signal des stimulierten Bereichs direkt zu erfassen. Eine solche kombinierte TCS-TMS-Anordnung ermöglicht es, insbesondere für das sensorimotorische System, die online frequenzspezifischen TCS-Effekte auf die kortikospinale Ausgabe zu beobachten, wobei als Probe einzelne TMS-Pulse des primären motorischen Kortex verwendet werden. Starten Sie daher das elektrische Stimulationsprotokoll mit 20 Hz, während online einzelne TMS-Pulse mit zufälligen Intervallen von drei bis fünf Sekunden dazwischengeschaltet werden.

Zum Beispiel können wir die Zunahme der Amplituden des motorischen Ruhpotentials während einer Online-20-Hz-TCS im Vergleich zu 10 Hz oder einer Scheinstimulation zeigen. Auf diesem Bild sehen Sie ein Beispiel für den experimentellen Aufbau, bei dem die TMS-Spule über der Ziel-TCS-Elektrode positioniert ist. Bei diesem Experiment werden rote Elektroden auf dem linken motorischen Kortex und dem rechten Parietalkortex platziert.

Die blaue Referenzelektrode wird mittig entsprechend der Position PZ des internationalen 1020-EG-Systems platziert. Die Spule wird auf der Schwamm-Elektrode über dem linken motorischen Kortex gehalten. Der adressierte menschliche motorische Kortex weist eine Aktivität bei etwa 20 Hz auf.

Häufige Kooperationspartner lieferten den entscheidenden Nachweis für 20-Hz-Aktivität im Ruhezustand beim Menschen, indem sie die zeitgleiche Erhöhung der kortikospinalen Erregbarkeit zeigten, während eine Stimulation mit 20 Hz durchgeführt wurde. Auf dem Graphen stellt die Y-Achse die mittlere MEP-Amplitude dar, gemessen mittels Einzelimpuls-TMS während der laufenden TCS-Stimulation. Die X-Achse repräsentiert verschiedene Stimulationsfrequenzen.

Nur TCS, die mit 20 Hz auf den motorischen Kortex appliziert wurde, erhöhte die kortikospinale Ausschüttung. Während die Stimulation mit anderen Frequenzen oder die Stimulation des Parietalkortex keine Wirkung zeigte. Dies war der erste Nachweis eines online auftretenden, frequenzspezifischen Effekts von TCS am motorischen Kortex, gemessen mittels einer kombinierten TACS- und TMS-Methode.

Der Grundgedanke für die Kombination von TMS und TACS liegt in den unterschiedlichen Informationen, die sie liefern. Durch die Ableitung motorisch evozierter Potentiale an der kontralateralen Hand zur primären motorischen Rinde können wir die artefaktfreien Effekte einer laufenden TCS überprüfen. Dies ermöglicht es uns, Änderungen der kortikalen Erregbarkeit mittels motorisch evozierter Potentiale während elektrischer Stimulation bei verschiedenen Frequenzen artefaktfrei genau zu überwachen.

Dieser neue Ansatz kann verwendet werden, um den online-Effekt anderer Formen der transkraniellen elektrischen Stimulation zu testen.