Nichtinvasive zeitliche Interferenzstimulation: Modulation des assoziativen Gedächtnisses durch Anvisieren von Zielen im tiefen Gehirn (Deep-HiPs)

Die Alzheimer-Krankheit und ihre präklinischen Stadien sind durch fortschreitende neurodegenerative Veränderungen im Hippocampi und im Default Mode Network [1] gekennzeichnet, die zu Funktionsstörungen im episodischen Gedächtnis und seinem zentralen Teil, dem assoziativen Gedächtnis, führen [1,2]. Die Codierung assoziativer Informationen erfolgt in den verteilten Gehirnnetzwerken, an denen der untere Frontalkortex, der fusiforme Kortex, der mediale Temporallappen, der prämotorische und der hintere Parietalkortex einschließlich des Precuneus beteiligt sind [3,4]. Frühere Studien haben gezeigt, dass durch das Targeting spezifischer Knoten innerhalb der kortiko-hippocampalen Schaltkreise über die Werkzeuge der nicht-invasiven Hirnstimulation die Leistung des assoziativen Gedächtnisses (AM) manipuliert werden kann [5-8], jedoch nur relativ Oberflächenbereiche dieses Schaltkreises zugänglich durch aktuelle nicht-invasive Stimulationstechniken. Neuartige Modalitäten der nicht-invasiven transkraniellen Elektrostimulation wie die zeitliche Interferenzstimulation (TIS) versprechen, tiefere Hirnstrukturen zu stimulieren, ohne die Fokalität zu beeinträchtigen [9].

TIS setzt auf hohe Frequenzen, die relativ verlustarm durchdringen können. Hochfrequenzträger (>1 kHz), die von zwei (oder mehr) Paaren von Hautelektroden emittiert werden, können zeitweilig an tiefen peripheren Nervenzielen interferieren. Die effektive Stimulationsfrequenz ist gleich der Offset-Frequenz zwischen den Trägern. Durch die Steuerung der Feldorientierung und des Frequenzversatzes kann der Hotspot der konstruktiven Interferenz genau anvisiert werden. Der Schlüsselaspekt dieses Verfahrens ist die Verwendung von Trägerwellen bei Frequenzen über 1 kHz. Frequenzen oberhalb dieses Bereichs werden als nicht stimulierend und durchdringende Gewebe mit relativ geringem Verlust angesehen. Während diese höheren Frequenzen neurales Gewebe nicht stimulieren, kann die Interferenzhülle von zwei phasenverschobenen Frequenzen Aktionspotentiale hervorrufen, da die Offset-Frequenz (auch bekannt als "Beat") entsprechend auf < 100 Hz abgestimmt werden kann. Die neuesten Studien zeigten positive Verhaltenseffekte von TIS, die über den primären motorischen Kortex [10] oder das motorische Striatum [11] bei gesunden jungen Erwachsenen angewendet wurden. Bisher haben keine Studien die Wirkung von TIS auf AM untersucht.

Zu den spezifischen Zielen gehören: 1) Implementierung einer neuartigen zeitlichen Interferenzstimulationstechnik (TIS) in einer Proof-of-Concept-Studie, die auf tiefe Strukturen des kortiko-hippocampalen Kreislaufs abzielt, die bis zu diesem Zeitpunkt mit nicht-invasiven Stimulationstechniken zuverlässig nicht erreichbar waren das Ziel, das assoziative Gedächtnis bei gesunden Senioren zu modulieren. 2) Erforschen Sie die neuralen Grundlagen von TIS-Effekten und finden Sie Biomarker, die mit besseren zeitlichen Interferenzstimulationsergebnissen und mit einer optimalen Kandidatenauswahl unter Verwendung von EEG/fMRI-Techniken assoziiert sind

1. Salami, Alireza, et al. „Eine erhöhte Hippocampus-Ruhezustandskonnektivität liegt einer mangelhaften neurokognitiven Funktion im Alter zugrunde.“ Proceedings of the National Academy of Sciences 111.49 (2014): 17654-17659.
2. Preston, A. R., und Eichenbaum, H. (2013). Zusammenspiel von Hippocampus und präfrontalem Kortex im Gedächtnis. akt. biol. 23, R764-R773. doi: 10.1016/j.cub. 2013.05.041
3. Eichenbaum, H. Präfrontal-Hippocampus-Interaktionen im episodischen Gedächtnis. Nat. Rev. Neurosci. 18, 547-558 (2017).
4. Wagner, A.D., et al. Beiträge des Parietallappens zum episodischen Gedächtnisabruf. Trends Cogn. Wissenschaft. 9, 445-453 (2005).
5. Koch, Giacomo, et al. "Die transkranielle Magnetstimulation des Precuneus verbessert das Gedächtnis und die neurale Aktivität bei der prodromalen Alzheimer-Krankheit." Neuroimage 169 (2018): 302-311.
6. Lang, Stefanet al. "Die hochauflösende transkranielle Wechselstromstimulation im Theta-Band, aber nicht die transkranielle Gleichstromstimulation, verbessert die Leistung des assoziativen Gedächtnisses." Wissenschaftliche Berichte 9.1 (2019): 1-11.
7. Wang, Jane X., et al. "Gezielte Verbesserung der kortikal-hippocampalen Gehirnnetzwerke und des assoziativen Gedächtnisses." Wissenschaft 345.6200 (2014): 1054-1057.
8. Wang, He, et al. "Die durch Cortico-Hippocampus-Gehirnkonnektivität gesteuerte repetitive transkranielle Magnetstimulation verbessert kurzfristig das wortbasierte assoziative Gedächtnis mit Gesichtserkennung." Grenzen in der menschlichen Neurowissenschaft 14 (2020).
9. Grossmann, Nir, et al. "Nichtinvasive Tiefenhirnstimulation über zeitlich störende elektrische Felder." Zelle 169.6 (2017): 1029-1041.
10. Ma, Ru, et al. "Zeitliche Interferenzstimulation mit hohem Gamma- und Beta-Wert im menschlichen motorischen Kortex verbessert die motorischen Funktionen." bioRxiv (2021).
11. Wessel, Maximilian Jonas, et al. "Beweise für zeitliche Interferenz (TI) -Stimulationseffekte auf das motorische Striatum." Hirnstimulation: Grundlagenforschung, translationale und klinische Forschung zur Neuromodulation 14.6 (2021): 1684.