Influence of transcranial electrical stimulation during waking on EEG and sleepiness in healthy subjects

Transkranielle Elektrostimulation mit schwachen Strömen ist ein vielversprechender neuer Therapieansatz bei Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression. Ihre Wirkung auf Schlaf und schlafbezogene Parameter wurde bisher kaum untersucht. Angesichts der hohen Prävalenz von Schlafstörungen wie der Insomnie liegt hier ein großes Potential. Studien zur Slow Oscillatory Transcranial Direct Current Stimulation (so-tDCS) während des Schlafes und des Wachzustandes legen einen Einfluss auf schlafbezogene Parameter nahe, standen jedoch im Kontext der Gedächtnisforschung. Ausgehend von einer Studie zu so- tDCS im Wachzustand sollte daher untersucht werden, ob sich die beschriebenen EEG-Veränderungen replizieren lassen und ob es Auswirkungen auf Parameter für Schläfrigkeit gibt. Es wurde eine teils doppelblinde, teils einfachblinde, sham-kontrollierte, randomisierte Crossover-Studie an 46 gesunden Probanden in 5 Gruppen durchgeführt. Jeder Proband erhielt im Abstand von mindestens 10 Tagen aktive und Sham-Stimulation in ruhigem Wachzustand. Die Stimulationsparameter basierten auf früheren Studien zu so-tDCS und wurden hinsichtlich der Anzahl der Stimulationen pro Versuchstag (1x, 3x), der elektrischen Stromdichte (0,009 mA/cm², 0,018 mA/cm², 0,350 mA/cm²) und der Stimulationsfrequenz (0,75 Hz, 5,5 Hz) variiert. Vor und nach der Stimulation wurden verschiedene Parameter für Schläfrigkeit erhoben (KSS, DSST, Digit Span-Test, PVT). Zudem wurde ein EEG abgeleitet. Die vor allem im Theta-Band beschriebenen EEG-Veränderungen in Folge der Stimulation mit so-tDCS bei 0,75 Hz konnten in der vorliegenden Studie nicht repliziert werden. Auch bei der Stimulation innerhalb des Theta-Bandes mit 5,5 Hz ergab das EEG keine signifikanten Unterschiede zwischen aktiver und Sham-Stimulation. Die Probanden wurden im Verlauf der Experimente subjektiv schläfriger, jedoch gab es bezüglich des Ausmaßes keinen signifikanten Unterschied zwischen den Stimulationsbedingungen. Die erhöhte subjektive Schläfrigkeit hatte keine Auswirkungen auf andere Parameter. Trotz geringer elektrischer Stromstärke konnten Missempfindungen unter den Elektroden nicht ausgeschlossen werden. Die Stimulation mit den verwendeten Stimulationsparametern hatte keine mit dem Studiendesign messbaren Effekte. Als Hauptlimitationen müssen die geringe Probandenzahl, Abweichungen der Stimulationsparameter gegenüber früheren Studien und eine zur Messung von Schläfrigkeit kurze Versuchsdauer angesehen werden. Die vorliegende Studie untersuchte die Stimulation im Wachzustand. Dies schließt jedoch eine Wirkung während des Schlafes oder bei Insomnie- Patienten nicht aus. Im Hinblick auf so-tDCS sollte zukünftig eine exakte Replikation früherer Studien angestrebt werden. Dabei spielen höchstwahrscheinlich die Kurvenform des Stimulationssignals und der Zustand der Probanden während der Stimulation eine zentrale Rolle. Darüber hinaus sollte der Anteil der Gleich- und Wechselstromkomponente am Stimulationseffekt untersucht werden. Schließlich wurde gezeigt, dass auch bei geringer elektrischer Stromstärke eine Sham-Stimulation einer Plazebo-Stimulation vorzuziehen ist, da Missempfindungen während aktiver Stimulation nicht ausgeschlossen werden können.Transcranial electrical stimulation with weak currents is a promising novel approach for the treatment of stroke and depression. Few studies have investigated its influence on sleep and sleep-related parameters. Considering the high prevalence of sleep disorders such as insomnia, research in this field is warranted. Previous studies on Slow Oscillatory Transcranial Direct Current Stimulation (so-tDCS) during sleep and during waking suggest an influence on sleep-related parameters, but were focused on learning and memory. Based on a so-tDCS study during waking, this study was intended to replicate previous EEG findings and to investigate the influence on parameters of sleepiness. A partly single-blind, partly double-blind, sham-controlled, randomized crossover trial with 46 healthy individuals was performed in 5 groups. Subjects received active and sham stimulation during quiet wakefulness with at least 10 days in between. Stimulation parameters were based on previous so-tDCS studies and varied regarding the number of stimulations per day (1x, 3x), current density (0.009 mA/cm², 0.018 mA/cm², 0.350 mA/cm²) and stimulation frequency (0.75 Hz, 5.5 Hz). Parameters of sleepiness were assessed before and after stimulation (KSS, DSST, Digit Span, PVT). EEG was recorded throughout the entire experiment. The previously described EEG alterations mainly in the theta band after stimulation with so tDCS at 0.75 Hz could not be replicated. Stimulation within the theta band at 5.5 Hz did not reveal significant differences in the EEG between active and sham stimulation either. Subjective sleepiness increased during the experiment, but did not differ in respect to the stimulation condition. The increase in subjective sleepiness did not have an influence on other parameters. Even stimulation with comparatively weak electrical currents was felt by many of the subjects. The selected stimulation parameters did not elicit measurable effects. Major limitations were the small sample size, deviations of the stimulation parameters compared to previous so-tDCS studies and the short duration of the experiments in terms of measuring sleepiness. This study applied stimulation during waking. Possible effects during sleep or in insomnia patients cannot be excluded. In the future, previous so-tDCS studies should be replicated exactly. In this context, the wave shape of the stimulation signal and the state of the subjects during stimulation probably play a major role. Furthermore, the extent to which the direct and alternating current components contribute to the stimulation effects should be investigated. Finally, even with weak electrical currents sham stimulation is preferable to placebo, because sensations under the electrodes during active stimulation cannot be excluded