Neuartige, individualisierte Hirnstimulation, netzwerkbasierte Ansätze zur Verbesserung der Kognition (NiBS-iCog)

Eine leichte kognitive Beeinträchtigung (Mild Cognitive Impairment, MCI) beschreibt ein Zwischenstadium von der normalen kognitiven Funktion bis hin zur Demenz und identifiziert ein Spektrum von Krankheiten, das Beeinträchtigungen sowohl im Gedächtnis als auch in nichtgedächtnisbezogenen kognitiven Bereichen umfasst. Ein mangelhaftes Arbeitsgedächtnis (WM) spielt eine entscheidende Rolle bei normalem Altern, MCI und kognitivem Verfall im Zusammenhang mit Demenz, wie der Alzheimer-Krankheit (AD). WM bezieht sich auf die vorübergehende Online-Speicherung und -Bearbeitung von Informationen für die laufende Verarbeitung und ist für die Ausführung einer Vielzahl täglicher Funktionen von zentraler Bedeutung. Es wird angenommen, dass der Verlust der WM-Effizienz im Zusammenhang mit Alterung oder neurodegenerativen Prozessen verschiedene neurobiologische Ursachen hat, unter denen eine veränderte Funktion der frontoparietalen Netzwerke eine wichtige Rolle spielt. Die Verarbeitung, der Austausch und die Speicherung von Informationen basieren auf intra- und interregionalen Konnektivitäten, die es neuronalen Populationen ermöglichen, ihr Feuern zu synchronisieren. Auf dieser Grundlage wurde gezeigt, dass intra- und kreuzfrequente oszillatorische Wechselwirkungen neben anderen kognitiven Funktionen eine zentrale Grundlage für Arbeitsgedächtnisprozesse darstellen. Jede Beeinträchtigung der Anpassung und Synchronisierung der Schwingungsaktivitäten innerhalb dieses Netzwerks führt unweigerlich zu einem vorübergehenden oder dauerhaften Funktionsverlust.

In diesem Projekt werden die Forscher auf der Grundlage der genannten pathophysiologischen Konzepte neuartige, individualisierte, multifokale, physiologisch inspirierte Ansätze zur nicht-invasiven Hirnstimulation (NIBS) entwickeln und testen, die darauf abzielen, die interregionale Verarbeitung in gedächtnisbezogenen Frontoparieto-Kleinhirn-Netzwerken zu verbessern mit konsekutiver Verhaltensmodulation von WM-Prozessen, die sich auf die Aktivitäten des täglichen Lebens bei älteren gesunden Freiwilligen (HV) und MCI-Patienten auswirken.

Die Forscher nähern sich diesen Zielen schrittweise: (1) Die Forscher werden die Mitnahme oszillatorischer Aktivität im fronto-parietalen Netzwerk mit transkranieller alternativer Stromstimulation (tACS) bei Frequenzen untersuchen, die für die Gedächtniskodierung (Theta) relevant sind, um WM anzukurbeln gesunde Senioren. (2) Anschließend werden die Forscher die frequenzübergreifende Mitnahme interregionaler Oszillationsinteraktionen im frontalen und parietalen Zielnetzwerk mit bifokalem tACS untersuchen, um WM bei gesunden Senioren zu steigern. (3) Basierend auf dem aktuellen Wissen über die umfassende Beteiligung des Kleinhirns an kognitiven Prozessen durch seine modulatorischen Wirkungen auf die für die Kognition entscheidenden frontoparietalen Netzwerke werden die Forscher unsere Erfahrungen in der nicht-invasiven Modulation der Kleinhirnausgänge mittels nutzen repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS). rTMS über dem Kleinhirn wird unmittelbar vor der kortikalen Mitnahme angewendet, um seine physiologischen und verhaltensbezogenen Wirkungen weiter zu verstärken. (4) Schließlich werden die Forscher den effektivsten Ansatz aus den vorherigen Arbeitspaketen auswählen, der bei MCI-Patienten angewendet werden soll, und die Verhaltensvorteile quantifizieren. Neben den Verhaltenseffekten werden die Forscher multimodale systemische neurowissenschaftliche Ansätze mittels Neuroimaging (strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie; s/fMRT) und elektrophysiologische (Elektroenzephalographie – EEG, transkranielle Magnetstimulation – TMS) Methoden zur Bestimmung der zugrunde liegenden Netzwerkmechanismen und Muster intrinsischer Konnektivitätsänderungen. Da bei gesunden Senioren und Patienten eine erhebliche räumliche Heterogenität der fronto-parietalen Spitzenaktivität besteht, werden die Stimulationsziele individuell auf der Grundlage von fMRT definiert. Durch die Nutzung der mechanistischen Aspekte, die sich aus der individualisierten multifokalen Stimulation ergeben, erwarten die Forscher ein besseres Verständnis der Mechanismen, durch die NIBS-Techniken auf das Gehirn wirken und die kognitiven Funktionen verbessern. Die Forscher werden außerdem im Rahmen einer Virtual-Reality-Aufgabe (VR) testen und quantifizieren, wie gut sich die interventionsgesteuerte kognitive Verbesserung auf das tägliche Leben überträgt.