Verbesserung der Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie durch Neuromodulation (tACS)

Zweck:

Das Ziel dieser Studie ist es, eine Form der nichtpharmakologischen Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie durch Neuromodulation zu verbessern und die Wirkung durch Elektroenzephalogramm (EEG) und Verhaltensmessungen zu bestätigen (Whitman et al., im Druck; Whitman, Minz & Woodward, 2013). Insbesondere wird die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) verwendet, um das Ergebnis der Teilnahme am metakognitiven Training (MCT) zur Behandlung von Psychosen zu verbessern.

MCT ist ein gruppenbasiertes Programm, das direkt aus aktuellen Forschungsergebnissen der kognitiven Neuropsychiatrie zu Schizophrenie und Psychose entwickelt wurde. MCT teilt in Forschungslabors gewonnenes Wissen, um Menschen mit Psychose dabei zu helfen, sich der Denkmuster ihrer Krankheit bewusster zu werden. Der Hauptzweck des metakognitiven Trainings besteht darin, Menschen zu helfen, die Denkmuster zu ändern, die Wahnvorstellungen verursachen, wodurch ein Rückfall in eine Krankheit vermieden oder die Auswirkungen von Wahnvorstellungen verringert werden (Moritz et al., 2014).

tACS ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, bei der ein schwacher elektrischer Strom an den Kopf angelegt wird, um die Wahrscheinlichkeit einer neuralen Aktivierung in einer Region des Kortex unter den Stimulationselektroden zu verändern (Antal & Paulus, 2013).

Hypothese:

Die Neuromodulation wird den Nutzen des nicht-pharmakologischen Behandlungsprogramms MCT bei der Verringerung der Schwere von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie verstärken.

Rechtfertigung:

Es ist jetzt klar, dass die Unterstützung von Personen mit Schizophrenie, sich der Denkmuster bewusst zu werden, die Wahnvorstellungen zugrunde liegen, wirksame Werkzeuge darstellt, um diesen Denkmustern entgegenzuwirken (Moritz et al., 2013; Mortiz et al., 2014). Das MCT-Programm zur Behandlung von Wahnvorstellungen beinhaltet das Erleben von Situationen, in denen alltägliche Interpretationen der Realität hinterfragt werden müssen. Empirische Studien und Metaanalysen weisen darauf hin, dass MCT auch bis zu drei Jahre nach Abschluss der Behandlung wirksam ist (relativ zu aktiven Kontrollbedingungen und Behandlung wie gewohnt (TAU)).

Trotz dieser Erfolge kann keine Behandlung der Schizophrenie als hochwirksam angesehen werden, und es gibt immer Raum für Verbesserungen in der Effektstärke. Die Neuromodulation kann diese Verbesserung bewirken, indem sie die pathologische Gehirnfunktion vor der MCT in einen gesunden Zustand versetzt, die Offenheit erhöht, alltägliche Interpretationen der Realität in Frage zu stellen und die Wirkung der MCT-Behandlung von Wahnvorstellungen zu verstärken. tACS ist fast vollständig nicht-invasiv und rein modulatorisch, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer neuralen Aktivierung in einer Region des Kortex unter den Stimulationselektroden verändert wird. Es ist jetzt möglich, mit unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen zu modulieren, je nachdem, wie das gesunde Gehirn bei der Interpretation der Realität funktioniert.

Die vorgeschlagene Forschung beinhaltet die Anwendung von oszillationsgerichteten Neuromodulationsprotokollen, um die Gehirnfunktion in einen Zustand zu versetzen, der das Hinterfragen alltäglicher Interpretationen der Realität fördert, wodurch die Schwere von Wahnvorstellungen verringert und die Reaktion auf ein Trainingsprogramm zur Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie verbessert wird, indem Einblicke in die Denkmuster, die zu wahnhaftem Denken führen. Die Forscher planen, die durch Neuromodulation induzierten Gehirnveränderungen anhand von Leistungs- und EEG-Messungen zu dokumentieren, die bei einer Entscheidungsaufgabe durchgeführt wurden, die die Interpretation der Realität beinhaltet und bei der die Leistung mit der Schwere der Wahnvorstellungen korreliert. Diese Aufgabe beinhaltet die Beurteilung der Wahrscheinlichkeit, dass Beweise mit einer Hypothese übereinstimmen, und es hat sich gezeigt, dass diese beurteilte Wahrscheinlichkeit zunimmt, wenn Patienten stark wahnhaft sind. Die Ermittler haben gezeigt, dass dieser Aufgabenzustand (d. h. Evidenz-Hypothese-Übereinstimmung) eine Zunahme der Alpha-Power im Task-Positive-Netzwerk und eine Abnahme der Beta-Power im Default-Mode-Netzwerk hervorruft (Whitman et al., im Druck). Dies deutet darauf hin, dass die Maximierung der Leistung des Alpha-Bands im aufgabenpositiven Netzwerk das Gehirn in einen gesünderen Zustand versetzen sollte, um Beweise abzuwägen, um Hypothesen über die Realität zu testen, und dies kann mit EEG- und Verhaltensmaßnahmen bestätigt werden, die bei der oben genannten Entscheidungsaufgabe durchgeführt wurden , eine erhöhte Reaktion auf MCT und eine entsprechende Verringerung der Schwere von Wahnvorstellungen.

Forschungsdesign:

Die Neuromodulation mit tACS zielt darauf ab, die Leistung des Alpha-Bands in dorsomedialen präfrontalen Regionen zu erhöhen, und es wird erwartet, dass dies auch die Leistung des Beta-Bands in ventromedialen Regionen verringert. Dies wird durch EEG-Aufzeichnungen und Quellenschätzung bestätigt (Whitman et al., im Druck; Whitman, Minz & Woodward, 2013). MCT ist ein vierwöchiges Programm mit acht einstündigen Sitzungen. TAU ist eine vierwöchige Wartelisten-Kontrollgruppe. Schein-Neuromodulation beinhaltet die Anwendung zufälliger Muster von schwachen Strömen auf dieselbe Gehirnregion wie die Neuromodulationsbedingungen (Antal & Paulus, 2013). Die Schwere der Wahnvorstellungen wird anhand der Psychotic Symptom Rating Scales in Psychosis (PSYRATS) gemessen (Haddock et al., 1999). Das interessierende Verhaltensmaß ist die Bewertung der Übereinstimmung zwischen Evidenz und Hypothese, die abnehmen sollte, wenn die Wahnvorstellungen abnehmen.

Statistische Analyse:

Unter der Hypothese werden Varianzanalysen (ANOVA) zwischen Gruppen (Neuromodulation/MCT vs. Schein/MCT vs. Neuromodulation/TAU) an Änderungswerten durchgeführt, die anhand von Verhaltensmaßen und der Schwere von Wahnvorstellungen vor und nach MCT oder TAU berechnet werden dass die Abnahme der Schwere der Wahnvorstellung im Neuromodulations-/MCT-Zustand im Vergleich zu den Schein-/MCT- und Neuromodulations-/TAU-Zuständen größer sein wird.

Kontrollphasenstudien: DREAM-Studie, Hörgehirnstudie und Studie zur Auswirkung der Neuromodulation auf Sakkaden. Jeweils unten beschrieben.

Zweck der Kontrollphasenstudien:

Ziel dieser Studien ist es, die Wirksamkeit des EGI-GTEN-Systems bei der Modulation von Hirnschwingungen im Kortex gesunder Teilnehmer durch transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) festzustellen. In dieser Kontroll-/Pilotphase unserer Studie wollen wir feststellen, dass wir mit Neuromodulation mit dem GTEN-System Änderungen in der Leistung eines bestimmten Frequenzbands in bestimmten kortikalen Regionen induzieren können, und wir werden beurteilen, ob dies die Leistung auf einfache Weise vorübergehend verändert Kognitions- und Wahrnehmungsprozesse bei gesunden Kontrollpersonen. Dies wird der erste Schritt zur Übertragung unseres Stimulationsprotokolls auf die Patientenpopulation für unsere primäre interessierende Studie (tACS als Ergänzung zum metakognitiven Training für Wahnvorstellungen bei Psychosen) sein.

Begründung für Kontrollphasenstudien:

Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist eine nicht-invasive Methode zur Beeinflussung laufender Gehirnschwingungen beim Menschen durch Anlegen sinusförmiger Ströme an die Kopfhaut (Antal & Paulus, 2013; Vosskuhl, Strüber, & Herrmann, 2018). Die Schwingungen des menschlichen Gehirns, gemessen mit Elektroenzephalographie (EEG), reichen von 1 bis 100 Hz und werden als Delta (1–3 Hz), Theta (4–8 Hz), Alpha (8–12 Hz), Beta-1 bezeichnet (13-30 Hz) und Gamma- (30-40 Hz) Oszillationen. Die entweder spontan oder als Reaktion auf äußere Reize erzeugten Schwingungen sind das Ergebnis rhythmischer oder sich wiederholender elektrischer Aktivität von Zellen und sind bekanntermaßen an der Kommunikation von Gehirnregionen beteiligt (Vosskuhl et al., 2018). Die Synchronisation der rhythmischen elektrischen Aktivität führt zu einer erhöhten Leistung im Frequenzband der rhythmischen Aktivität. Beispielsweise erhöht die Darbietung eines Hörreizes ("auditory entrainment") mit einer Frequenz von 40 Hz die Leistung der 40-Hz-Gehirnschwingungen im Hörkortex; dieses Phänomen ist als Auditory Steady-State Response (ASSR; Galambos, Makeig, & Talmachoff, 1981; O’Donnell et al., 2013).

Frühere Studien haben sich hauptsächlich auf Systeme gestützt, die zwei große Elektroden auf der Kopfhaut verwenden, um die zugrunde liegende Gehirnaktivität im interessierenden Oszillationsfrequenzbereich zu modulieren. Das GTEN verfügt über 256 potenzielle Stimulationsstellen sowie fortschrittliche Quellenlokalisierungstechniken, die eine präzise Planung und Anwendung von Strom über maßgeschneiderte Kombinationen von Elektroden gemäß dem „Reziprozitätsprinzip“ ermöglichen (Dmochowski, Koessler, Norcia, Bikson, & Parra, 2017; Fernandez-Corazza, Turovets, Luu, Anderson & Tucker, 2016). Das „Reziprozitätsprinzip“ ist ein Prozess, der eine optimale Ausrichtung/Stimulation der Gehirnquellen des aufgezeichneten EEG-Signals ermöglicht. Das GTEN-System verfügt genau zu diesem Zweck über eine eingebaute Software, die es Forschern ermöglicht, Elektroden mit der dominanten Kraft der Oszillationsfrequenzen zu programmieren, wobei eine kleine Untergruppe von Elektroden (4-7) verwendet wird, um die interessierenden Gehirnregionen optimal anzusprechen. Dieses Reziprozitätsprinzip ist bahnbrechend in seiner Fähigkeit, kausale Beziehungen zwischen Gehirn und Verhalten aufzuzeigen: indem es genau auf die Gehirnquellen abzielt, die eine interessierende Gehirnaktivität erzeugen, und tACS anwendet, während die Verhaltenseffekte auf die Leistung beobachtet werden (z. B. Reaktionszeit, Genauigkeit), man kann kognitive Prozesse experimentell mit bestimmten Mustern von Gehirnschwingungen verknüpfen. Die Feststellung, dass wir diese Methoden auf diese Weise anwenden können, wird ein wichtiger Vorläufer für unsere Untersuchung von tACS als Ergänzung zum metakognitiven Training für Wahnvorstellungen sein. Unsere Arbeit mit tACS zur Beeinflussung der laufenden Netzwerkaktivität im Gehirn beruht darauf, dass wir in der Lage sind, genau auf die Netzwerke abzuzielen, die die interessierende Aktivität erzeugen, und zu dokumentieren, ob dies die Leistung bei einfachen kognitiven Aufgaben vorübergehend verändert.

Unsere „Pilot-/Kontroll“-Phase mit gesunden Kontrollpersonen wird uns mit dem GTEN-System vertraut machen und uns in die Lage versetzen, die Parameter zu optimieren, unter denen GTEN tACS kurzfristige Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit und der kognitiven Prozesse hervorruft. Diese Erkenntnisse werden in unsere größere Studie einfließen, die sich auf die Verbesserung der metakognitiven Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie durch Neuromodulation konzentriert Hearing Brain") wird untersuchen, inwieweit GTEN tACS, angewendet auf den auditorischen Kortex, die ASSR nachahmt und/oder beeinflusst, die endogen während der Wahrnehmung eines Hörtons auftritt.

Um zu verstehen, ob GTEN tACS die Leistung bei kognitiven Prozessen vorübergehend verändert, indem dominante Schwingungsmuster beeinflusst werden, wird eine zweite Reihe von Anfangsstudien an gesunden Kontrollpersonen mit dem Namen „Dynamic Reciprocal Electroencephalography and Modulation (DREAM)“ durchgeführt. Die DREAM-Studie wird das Reziprozitätsprinzip anwenden, während die Teilnehmer einfache kognitive und Wahrnehmungsaufgaben durchlaufen. Diese Datenerhebung bei gesunden Kontrollpersonen umfasst die Methoden, für deren Anwendung wir bereits eine ethische Erlaubnis für klinische Populationen erhalten haben (z. B. siehe „Verbesserung der Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie durch Neuromodulationsprotokoll“). Die Pilotierung dieser Methoden wird als Nachweis dienen, dass tACS die kortikale Erregbarkeit in den kortikalen Regionen verändern kann, die an Wahnvorstellungen beteiligt sind, für deren Neuromodulation wir in unserer Primärstudie an Patienten mit Schizophrenie bereits die Erlaubnis erhalten haben. Die Pilotstudie soll auch als Voruntersuchung dienen, ob tACS nachweisbare Einflüsse auf kognitive Aufgaben hat, die mit Psychopathologien (z. B. Wahnvorstellungen) korrelieren. Eine Aufgabe besteht darin, die Wahrscheinlichkeit zu beurteilen, dass Beweise mit einer Hypothese übereinstimmen, und es hat sich gezeigt, dass diese beurteilte Wahrscheinlichkeit zunimmt, wenn Patienten stark wahnhaft sind.

Wir wollen auch die Verhaltenseffekte von tACS in der "The Effect of Neuromodulation on Sakcades Study" untersuchen. Anstatt komplexe Verhaltensaufgaben zu verwenden, zielen wir darauf ab, eine einfachere und besser verständliche Verhaltensreaktion zu verwenden - die okulomotorische Reaktion. In dieser Studie wollen wir tACS verwenden, um die an der okulomotorischen Kontrolle beteiligten Bereiche zu stimulieren, um die Augenbewegungen zu beeinflussen. Der Blick der Teilnehmer wird mit dem Eyelink 1.000-System (SR Research, Kanata, ON) binokular verfolgt. Die okulomotorische Reaktion ist eine gut verstandene Verhaltensreaktion, die nicht komplexer Natur ist und es uns ermöglichen würde, die Auswirkungen von tACS auf das Verhalten zu untersuchen, dies würde unser Wissen über die Verhaltenseffekte von tACS erweitern. Das Grundprinzip hinter der Verwendung von tACS ist, dass wir auf eine bestimmte laufende Gehirnschwingung abzielen können. In dieser Proof-of-Concept-Studie planen wir, tACS zu verwenden, um frontale Augenfelder (FEF) zu stimulieren, von denen wir erwarten, dass sie das natürliche Netzwerkgleichgewicht unterbrechen und Sakkaden verlangsamen. Daher sind die übergeordneten Ziele dieser Studie (1) die Identifizierung der Gehirnoszillationen in der FEF, die der Sakkadenvorbereitung und -ausführung zugrunde liegen, und (2) die Änderung der Aktivität in diesen Netzwerken durch Neuromodulation.

Hypothese:

In der Proof-of-Concept-Pilotstudie „Hearing Brain“ stellen wir die Hypothese auf, dass auditive Entrainment bei 40 Hz sowie GTEN-Stimulation bei 40 Hz, aber keine Scheinstimulation, die Gammaband-Leistung im auditorischen Kortex erhöhen werden. Darüber hinaus vermuten wir eine stärkere Gammabandleistung nach GTEN-Stimulation im Vergleich zur auditiven Mitnahme.

In Bezug auf die „DREAM-Studien“ sagen wir voraus, dass GTEN, das auf der Grundlage des Reziprozitätsprinzips angewendet wird, die Genauigkeit und Reaktionszeit der Teilnehmer verändern wird, während sie sich einfachen kognitiven und Wahrnehmungsaufgaben unterziehen. Insbesondere in Bezug auf das Pilotprojekt der Methoden der Primärstudie (Verbesserung der Behandlung von Delusionen bei Schizophrenie durch Neuromodulation) stellen wir die Hypothese auf, dass die Neuromodulation mit tACS darauf abzielt, die Stärke des Alpha-Bandes in dorsomedialen präfrontalen Regionen zu erhöhen und unser Verhaltensmaß zu beeinflussen von Interesse (die Bewertung der Übereinstimmung zwischen Evidenz und Hypothese (siehe Abbildung 1 in „Verbesserung der Behandlung von Wahnvorstellungen bei Schizophrenie durch das Neuromodulationsprotokoll“).

In Bezug auf die „The Effect of Neuromodulation on Sakcades Study“ sagen wir Folgendes voraus: 1. Eine erhöhte Leistung der Alpha-Oszillation im FEF wird durch hdEEG erkannt, wenn Sakkaden ausgeführt werden. 2. GTEN-induzierte Alpha-Oszillationen im FEF erhöhen die Sakkadenlatenz .

Forschungsdesign:

Experimentelles Design: Proof-of-Concept-Studie „The Hearing Brain“

Wir werden ein Between-Subjects-Design verwenden, um den Einfluss von auditiver Entrainment, Neuromodulation, Scheinstimulation (Kontrollbedingung) und Kontrollfrequenzstimulation (aktive Kontrollbedingung) auf die Leistung des Gammabands (30-40 Hz) im auditiven Kortex zu untersuchen . Alle Teilnehmer werden entweder der Bedingung Neuromodulation, Schein oder Aktive Kontrolle (Kontrollfrequenz) zugeteilt, mit oder ohne sich auch der Bedingung Auditive Entrainment zu unterziehen.

Neuromodulation: Wir legen für jeden Teilnehmer eine Schwelle fest, bei der der Teilnehmer die Stimulationen (z. B. durch Phosphene oder Hautempfindungen) erstmals wahrnimmt. In Anlehnung an andere Schwellenprotokolle beginnen wir mit einer tACS-Stimulation bei 40 Hz und 1000 µA für 1 Sekunde und erhöhen die Amplitude der Stimulation schrittweise um 250 µA bis maximal 3000 µA (Zaehle et al., 2010). Die Teilnehmer werden gebeten, das Vorhandensein von Empfindungen anzugeben, die sie erfahren. Die maximale Stimulationsintensität jedes Teilnehmers wird 250 µA unter seinem Schwellenwert für das Erleben von Phosphenen oder Hautempfindungen gehalten (je nachdem, welcher Schwellenwert niedriger ist).

Während der Stimulation wird tACS mit einer Frequenz von 40 Hz über die Hörrinde appliziert. Für jede Stimulation wird der Strom langsam auf die maßgeschneiderte Intensität des Teilnehmers hochgefahren und am Ende des Segments heruntergefahren. Die Stimulationselektroden in der aktuellen Proof-of-Concept-Studie werden diejenigen sein, die in einer Pilotstudie zur akustischen Mitnahme den größten Anstieg der Gammaleistung aufweisen.

Auditive Mitnahme: Die Teilnehmer hören eine Folge von Tönen, die mit 40 Hz dargeboten werden.

Sham: Diese Bedingung wird verwendet, um Erwartungseffekte zu kontrollieren. Ähnlich wie bei der Neuromodulationsbedingung wird der Strom hochgefahren und heruntergefahren; dazwischen findet jedoch keine Stimulation statt.

Kontrollfrequenz: Personen in dieser aktiven Kontrollgruppe würden auf denselben Elektroden und mit derselben Stromstärke moduliert, aber auf einem anderen Frequenzband. Eine aktive Kontrollgruppe wird benötigt, um sicherzustellen, dass die Effekte auf die interessierende angewandte Frequenz und nicht nur auf den Strom selbst zurückzuführen sind.

Ruhe: Nach jedem Neuromodulations-, Entrainment- und Scheinversuch gibt es eine Ruhezeit von 50 Sekunden, um das Ruhezustands-EEG zu messen.

Jede Bedingung (Modulation, Sham, auditive Entrainment) wird 50 Sekunden lang sein und 7 Mal in Blöcken präsentiert. Zwischen den Bedingungen findet eine 50-Sekunden-Ruhezustandsmessung statt, um die Dauerhaftigkeit von Eingriffen in die Gehirnaktivität zu beurteilen.

Experimentelles Design: Proof-of-Concept-Studie „Dynamic Reciprocal Electroencephalography and Modulation“ (DREAM).

Wir werden ein Between-Subjects-Design verwenden, um den Einfluss von Neuromodulation basierend auf dem Reziprozitätsprinzip vs. Scheinstimulation (Kontrollbedingung) vs. Kontrollfrequenzstimulation (aktive Kontrollbedingung) auf die Reaktionszeit und Genauigkeit bei einfachen kognitiven und Wahrnehmungsaufgaben zu untersuchen. Diese Aufgaben umfassen die Stroop-Interferenzaufgabe, das Hören/Lesen von nicht anstößigen, nicht emotionalen Wörtern und das Erinnern von Wörtern oder visuellen Anordnungen.

Wir planen auch, tACS in der Evidenzintegrationsaufgabe zu testen, von der gezeigt wurde, dass sie mit wahnhafter Schwere bei Psychosen korreliert. Um die Methode des Reziprozitätsprinzips für diese Aufgabe zu veranschaulichen, erhalten die Teilnehmer entweder tACS oder Schein-Neuromodulation. Die Neuromodulation mit tACS zielt auf das dominante Muster der Gehirnoszillationen ab, von denen wir erwarten, dass sie das Alpha-Band in den dorsomedialen präfrontalen Regionen sind, und es wird erwartet, dass dies auch die Stärke des Beta-Bands in den ventromedialen Regionen verringert (Antal & Paulus, 2013 ). Dies wird durch EEG-Aufzeichnungen und Quellenschätzung (Whitman et al., im Druck; Whitman, Ward, & Woodward, 2013) während der Aufgabe bestätigt, die zur Erstellung von Abbildung 1 verwendet wurde. Schein-Neuromodulation beinhaltet die Anwendung von zufälligen Mustern oder sehr kurzen schwachen Strömen auf dieselbe Gehirnregion wie die Neuromodulationsbedingung (Antal & Paulus, 2013). Das bei dieser Aufgabe interessierende Verhaltensmaß ist die Bewertung der Übereinstimmung zwischen Evidenz und Hypothese (siehe Abbildung 1), die nachweislich mit der Schwere der Wahnvorstellungen bei Psychosen korreliert.

Experimentelles Design: Proof-of-Concept-Studie „The Effect of Neuromodulation on Sakcades“

Die vorgeschlagenen Experimente sind Standard-Saccade-Experimente, ähnlich denen, die von Chen Zhang et al. Bei der Prosakkadenaufgabe beginnt jeder Versuch mit einem Fixationspunkt in der Mitte des Bildschirms, der 800–1200 ms dauert und zufällig aus einer Exponentialverteilung ausgewählt wird. Die Teilnehmer werden angewiesen, den Fixationspunkt zu fixieren. Der Fixationspunkt verschwindet und nach einer Zeitlücke von 200 ms erscheint zufällig ein peripheres Ziel 10° links oder rechts vom zentralen Fixationspunkt. Die Teilnehmer werden angewiesen, eine schnelle Sakkade in Richtung des Ziels zu machen. Sie haben 1.000 ms Zeit, um die Sakkade an der richtigen Stelle abzuschließen. Bei der Anti-Sakkade-Aufgabe bleibt das Verfahren gleich, aber die Teilnehmer werden angewiesen, eine Sakkade in die entgegengesetzte Richtung des Ziels zu machen. Bei der gedächtnisgesteuerten Sakkadenaufgabe werden die Teilnehmer angewiesen, die Fixierung aufrechtzuerhalten, wonach zwei Ziele nacheinander für jeweils 100 ms in einem der vier Quadranten am Rand des Bildschirms erscheinen. Die Teilnehmer müssen die Fixierung für zusätzliche Zeit aufrechterhalten und auf das Startsignal (Verschwinden des Fixierungspunkts) warten. Dann müssen die Teilnehmer zwei Sakkaden so genau wie möglich zu den erinnerten Orten der Ziele in derselben Reihenfolge ausführen, in der sie aufgetreten sind. Die Prosakkaden-, Anti-Sakkaden- und gedächtnisgesteuerten Sakkadenversuche werden in einem Block verschachtelt. Die unterschiedlichen Aufgabentypen werden durch unterschiedliche Farben des Fixierungskreuzes unterschieden.

tACS-Protokoll: Alle Teilnehmer führen drei Blöcke des obigen Experiments durch: Vorstimulationsblock (pre), Stimulationsblock (stim/sham), Poststimulationsblock (post). Im Vorstimulationsblock führen die Teilnehmer alle oben genannten Aufgaben aus, gleichzeitig werden ihre EEG-Daten aufgezeichnet und ihre Augenbewegungen verfolgt. Basierend auf den EEG-Daten wird die genaue Montage für die Stimulation der frontalen Augenfelder (FEF) für jeden Teilnehmer geschätzt. Außerdem wird die genaue Alpha-Frequenz für die Stimulation geschätzt. Basierend auf diesen Parametern wird die Hälfte der Teilnehmer im Stimulationsblock stimuliert. Die andere Hälfte der Teilnehmer, die als Kontrollen fungieren, werden einem Scheinblock unterzogen. In beiden Fällen führen die Teilnehmer auch die Sakkadenaufgaben aus. Der Post-Block ähnelt dem Pre-Stimulations-Block.

Datenanalyse:

Proof-of-Concept-Studie „The Hearing Brain“:

Die Leistungsspektrumsdichte (PSD) für den Bereich von 1 bis 50 Hz wird für jede der Ruhezustandsmessungen berechnet und für jede der Bedingungen gemittelt. Unter der Hypothese, dass Neuromodulation und Entrainment, aber kein Sham, führt zu einer erhöhten Gammabandleistung, aber nicht zu Unterschieden in den Steuerfrequenzen.

Proof-of-Concept „DREAM“-Studie:

Varianzanalysen (ANOVA) zwischen Gruppen (Neuromodulation vs. Schein- vs. Kontrollfrequenzstimulation) werden an Änderungswerten durchgeführt, die anhand von Verhaltensmaßen (Genauigkeit, Reaktionszeit) berechnet werden, um zu beurteilen, ob tACS unter Verwendung des Reziprozitätsprinzips auf Bias angewendet wird andauernde Gehirnoszillationen verändern die kognitive Leistungsfähigkeit.

Proof-of-Concept-Studie „The Effect of Neuromodulation on Sakcades“:

EEG-Vorverarbeitung: Die mit dem GTEN-System aufgezeichneten hdEEG-Daten werden mit MATLAB 2019b unter Verwendung von hauseigenen Skripten analysiert. EEGLAB 13.6.5b (Delorme & Makeig, 2004) Funktionen wurden verwendet, um die topografischen Plots zu erzeugen. Die Spektralanalyse wird mit der Chronux 2.12 Toolbox (Bokil et al., 2010) durchgeführt. Die EEG-Daten werden mit einer statistischen Korrektur von Artefakten in Dense-Array-Studien (SCADS) (Junghöfer et al., 2000) vorverarbeitet, die EEG-Artefakte basierend auf statistischen Parametern entfernt. Zunächst werden die Daten mit einem FIR-Bandpassfilter mit Sperrfrequenzen bei 2 Hz und 55 Hz gefiltert. Der Filter wird mit der MATLAB-basierten Signalverarbeitungs-Toolbox entworfen. Dann werden die EEG-Daten epoziert, um den gesamten Versuch zu enthalten. Dann werden Elektroden, die mit Artefakten kontaminiert sind, vom SCADS-Algorithmus zurückgewiesen. Die für die Elektrodenunterdrückung verwendeten Parameter sind – maximale Amplitude, maximaler Gradient und Standardabweichung der Signalamplitude in jeder Epoche und jeder Elektrode. Außerdem werden die EEG-Daten wieder auf das durchschnittliche Signal bezogen.

Montageschätzung mit EEG: Die genaue Elektrodenmontage und Stimulationsfrequenz, die im Stimulationsblock verwendet werden sollen, werden auf der Grundlage der im Vorstimulationsblock gesammelten EEG-Daten geschätzt. Die EEG-Daten werden vorverarbeitet und bezüglich des Beginns der Sakkade epoziert. EEG-Daten von –1000 ms bis 500 ms vom Beginn der Sakkade werden verwendet, um Epochen zu erzeugen. Die Quelle der vorbereitenden Aktivität vor der Sakkade wird unter Verwendung von Constrained Principal Component Analysis (CPCA) (Takane & Hunter, 2001) geschätzt. CPCA erzeugt eine Komponente für die Sakkadenpräparation. Die Elektrodenbelastungen für die Komponente werden als Montage für die tACS-Stimulation verwendet. Als Stimulationsfrequenz wird auch die Frequenz verwendet, deren Phase die Sakkadenlatenz codiert (weitere Einzelheiten finden Sie in den Methoden in Drewes & VanRullen, 2011).

Eye-Tracking-Datenanalyse: Alle Datenanalysen werden auf MATLAB 2019b durchgeführt. Die Eye-Tracking-Daten werden mit hauseigenen Skripten ausgewertet. Die Eye-Tracking-Daten werden in verschiedene Arten von Epochen zerlegt. Fehlende Daten, die Augenzwinkern entsprechen, werden von der Analyse ausgeschlossen. Auch die Versuche, bei denen der Teilnehmer die Fixierung nicht aufrechterhält, werden abgelehnt. Die Blickgeschwindigkeit wird verwendet, um Sakkaden von Fixierungen zu unterscheiden. Dann werden die Daten aus jedem Versuch analysiert, um zu überprüfen, ob der Teilnehmer die richtige Sakkade ausgeführt hat. Wenn z. B. in einem Anti-Saccade-Versuch der Teilnehmer vom Ziel weg sakkadiert, dann wird der Versuch als korrekt zugewiesen; andernfalls wird es als falscher Versuch zugewiesen. Dann werden für alle Versuche Verhaltensmetriken wie Sakkadengenauigkeit, Latenz, Geschwindigkeit, Amplitude und Trajektorien extrahiert. Der Online-Effekt der Stimulation (Stim – Pre) und der Langzeiteffekt der Stimulation (Post – Pre) wird für jede Verhaltensmetrik und jede der Sakkadenaufgaben überprüft. Um Hypothesen zu testen, wird eine Varianzanalyse (ANOVA) an den abhängigen Maßen durchgeführt – Sakkadenlatenz, Genauigkeit, Geschwindigkeit, Amplitude usw., mit Sham/Stimulation als Zwischensubjektvariable.

Klinische Auswirkung:

Diese Vorstudien werden an gesunden Kontrollpersonen durchgeführt, um festzustellen, dass wir mittels Neuromodulation mit dem GTEN-System Leistungsänderungen in einem bestimmten Frequenzband herbeiführen können. Darüber hinaus wollen wir feststellen, dass wir in der Lage sind, kurzfristige Veränderungen des EEG-Signals nach tACS zu erkennen und kognitive Prozesse zu verändern, die für das Erleben psychiatrischer Erkrankungen relevant sind. Die Durchführung dieser Pilotforschung wird für die Übertragung unseres Stimulationsprotokolls auf die Patientenpopulation von entscheidender Bedeutung sein.