Schwellenmodulation als Mechanismus transkranieller elektrischer Hirnstimulation

Hintergrund: Während Techniken nicht-invasiver Hirnstimulation (Non-invasive Brain Stimulation, NiBS), einschließlich transkranieller elektrischer Stimulation (transcranial Electrical Stimulation, tES), inzwischen zum festen Repertoire von Neurowissenschaftlern und Klinikern gehören, verbleiben die Wirkungsmechanismen nach wie vor unklar. Für die oszillatorische transkranielle Wechselstromstimulation (transcranial Alternating Current Stimulation, tACS) werden als Mechanismen sowohl Entrainment- als auch Rebound-Effekte vorgeschlagen, während für die neuartige und vielversprechende transkranielle Rauschstromstimulation (transcranial Random Noise Stimulation, tRNS) der Mechanismus der stochastischen Resonanz vermutet wird. Eine Gemeinsamkeit verschiedener Hypothesen zu den Wirkmechanismen ist eine mögliche Verstärkung intrinsischer Oszillationen über Schwellenmodulation. Wir prüften zunächst die Sicherheit der retinofugalen Wechselstromstimulation (retinofugal Alternating Current Stimulation, rACS) (Studie 1), bevor wir mit dieser Methode die Wirkmechanismen der ACS auf intrinsische Oszillationen im umschriebenen visuellen System untersuchten (Studie 2). Um letztlich die Effekte unterschiedlicher Aktivität kortikaler Netzwerke auf die Auswirkungen der Stimulation zu analysieren, stimulierten wir den motorischen Kortex mit tRNS während der Ausführung inhibitorischer und exzitatorischer motorischer Aufgaben (Studie 3). Methoden: In Studie 1 sammelten wir Stimulationsparameter und subjektive Berichte über unerwünschte Ereignisse von 20 Probanden, die mit 10 Hz rACS stimuliert wurden, und analysierten die Sicherheit zusätzlich mittels Finite-Elemente-Modellierung. In Studie 2 stimulierten wir 30 Probanden in einem doppelblinden, randomisiert-kontrollierten Paradigma entweder mit 10 Hz rACS oder mit Sham-Stimulation, wobei wir die okzipitale α-Power und die individuelle α-Spitzenfrequenz im EEG untersuchten. In Studie 3 stimulierten wir den dominanten motorischen Kortex entweder mit tRNS oder Sham-Stimulation (doppelblind, randomisiert-kontrolliert) während der Ausführung von zwei motorischen Aufgaben (Fingertapping und Go/No-Go-Aufgabe) und untersuchten dabei die i) kortikospinale Erregbarkeit (über motorisch evozierte Potentiale) sowie die ii) Aufgabenperformance. Ergebnisse: Studie 1 lieferte Belege für die gute Sicherheit und Verträglichkeit von rACS. Studie 2 zeigte einen Anstieg der α-Power nach rACS im Vergleich zu Sham, aber bemerkenswerterweise keine Verschiebung des individuellen α-Peaks in Richtung der Stimulationsfrequenz. In Studie 3 fanden wir aufgabenspezifische Effekte auf die Aufgabenleistung und CSE für tRNS im Vergleich zu Sham. Schlussfolgerung: Zusammengenommen liefern diese Studien Belege für eine Verstärkung der zugrundeliegenden Oszillationen (speziell α-Oszillationen im visuellen System), höchstwahrscheinlich über einen schwellenmodulierenden Effekt, als eine der Ursachen für NiBS-Effekte auf neuronale Oszillationen. Dieser Effekt könnte durch Rebound- oder Burst-Firing-Mechanismen für ACS bzw. einen stochastischen Resonanzeffekt für RNS bedingt sein.Background: While Non-invasive Brain Stimulation (NiBS) techniques, including transcranial electric stimulation (tES), have become part of the repertoire of neuroscientists and clinicians alike, the mechanisms of action remain unclear. For the oscillatory transcranial alternating current stimulation (tACS), proposed mechanisms include entrainment as well as rebound effects, whereas the novel and promising transcranial random noise stimulation (tRNS) is suspected to employ the mechanism of stochastic resonance. A common feature of several hypotheses on the mechanisms of action is a possible amplification of intrinsic oscillations via threshold modulation. We first tested the safety of retinofugal alternating current stimulation (rACS) (Study 1) before employing this method to investigate the mechanisms of action of ACS on intrinsic oscillations in the circumscribed visual system (Study 2). Finally, to investigate the effects of different cortical network activity on the effects of stimulation, we stimulated the motor cortex with tRNS during the performance of inhibitory and excitatory motor tasks (Study 3). Methods: In study 1, we gathered stimulation parameters and subjective report of adverse events from 20 subjects stimulated with 10 Hz rACS and further analyzed the safety via finite element modeling. For study 2, we stimulated 30 subjects with either 10 Hz rACS or Sham-stimulation in a double-blind randomized-controlled paradigm while assessing occipital α power and individual α peak frequency in the EEG. For study 3, we stimulated the dominant motor cortex with either tRNS or sham stimulation (double-blind, randomized-controlled) during the execution of two motor tasks (fingertapping and go/no-go task) while assessing i) corticospinal excitability (via motor evoked potentials) as well as ii) task performance. Results: Study 1 presented evidence for the good safety and tolerability of rACS. Study 2 showed an increase in α power after rACS compared to Sham, but a notable absence of a shift of the individual α peak towards stimulation frequency. In study 3, we found task specific effects on task performance and CSE for tRNS compared to Sham. Conclusion: Taken together, these studies provide evidence for an enhancement of underlying oscillations (especially α oscillations in the visual system) as one of the causes behind NiBS effects on neural oscillations, most likely via a threshold-modulating effect. This effect could include rebound- or burst firing mechanisms for ACS and a stochastic resonance effect for RNS, respectively