Transcranial electric stimulation: modeling, application, verification

Die Verwendung von Elektrizität zur Beeinflussung neuronaler Aktivität weckte das Interesse neurowissenschaftlicher Forschung und zeigt bereits seit einigen Jahrhunderten therapeutische Wirkungen. In den letzten Jahrzehnten fand die nicht-invasive Anwendung schwacher Ströme von wenigen Milliampere am Kopf, bezeichnet als transkranielle Elektrostimulation (tES), in den Neurowissenschaften und der klinischen Forschung vielfältige Anwendungen. Die konventionell aufwendige implementierte Elektrodenschnittstelle und eher unspezifische Verteilung der Stimulationsströme benötigen jedoch weitere Innovationen und Verifikationen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung des Stromflusses für die gezielte Elektrostimulation, mit der Entwicklung von Elektrodenkonzepten für die Stromeinprägung, sowie mit mess-technischen Ansätzen zur Verifikation von Stimulationskonfigurationen. Simulationen transorbitaler Stromstimulationen zeigten Stromdichteverteilungen in der Netzhaut, die in Abhängigkeit von der Elektrodenmontage deutlich unterschiedliche lokale Maxima aufwiesen. In ähnlicher Weise wurden orts- und orientierungsspezifische Ziele im Kortex mit Simulationen von Konfigurationen mehrerer Elektroden auf dem Kopf adressiert. Diese Simulationen zeigten die Realisierbarkeit zielgenauer Stimulationskonfigurationen für die Retina und Zielgebiete im Kortex. Für die Stimulationsanwendung wurden neue Konzepte auf Basis von textilen Elektroden mit integriertem Elektrolytreservoir und gedruckten Trockenelektroden eingeführt, die in flexiblen Hauben eingearbeitet sind. Diese neu entwickelten Elektroden zeigten ihre Funktionalität in Studien, die zuvor beschriebenen Effekte der Stromstimulation reproduzierten, wobei sie die Präzision und Reproduzierbarkeit der Stimulation erhöhten und den Vorbereitungsaufwand verringerten. Für technische Verifikationsexperimente wurden ein homogener Volumenleiter und ein realistisch geformtes dreischichtiges Kopfphantom physikalisch realisiert. Messtechnische Experimente an diesen Phantomen zeigten die Machbarkeit von Stimulationskonfigurationen mit mehreren Elektroden, insbesondere den Ansatz der zeitlichen Interferenz, und verifizierten die Stabilität der neuen Elektrodenkonzepte. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit zu Innovationen auf dem Gebiet der tES bei, indem ein neuer Multi-Elektroden-Ansatz für die Adressierung kortikaler Ziele, neuen angepassten Elektrodenkonzepte und physikalische Phantome für die metrologische Verifikation beschrieben werden.Electric manipulation of neuronal activity gathered interest in neuroscientific research and showed therapeutic effects throughout past centuries. The non-invasive application of weak currents with a few milliamperes to the head, called transcranial electric stimulation (tES), captured manifold applications in neuroscience and clinical research in the last decades. The conventionally cumbersome and rather unspecific administration of the stimulation current with respect to its distribution for targeting and the electrode interface desire further innovation and verification. The present thesis addresses current flow modeling for targeted stimulation, electrode developments for current administration and measurement approaches verifying stimulation configurations. Simulated transorbital stimulation gave rise to current density distributions in the retina demonstrating distinct hot spots depending on the electrode montage. Similarly, simulations of multi-electrode configurations on the head addressed location and orientation specific targets in the cortex. These simulations indicate the feasibility of specific stimulation configurations for targets in the retina and the cortex. For stimulation application, new concepts for stimulation application based on textile electrodes with integrated electrolyte reservoir and additive manufactured dry electrodes embodied in a textile cap have been introduced. These newly developed electrodes demonstrated functionality by replicating previously described effects of current stimulation and increased stimulation precision, reproducibility and lowered the preparation effort. A homogeneous volume conductor and a realistically shaped three-compartment head phantom have been physically implemented for technical verification experiments. Metrological experiments in these phantoms demonstrated feasibility of multi-electrode stimulation configurations, especially the approach of temporal interference, and verified the stable performance of new electrode concepts. Concluding, the present thesis contributes innovations in the field of tES with a new approach for targeting cortical areas by multi-electrode stimulation, new compliant electrode concepts and physical phantoms for metrological verification