Gepulstes tVNS-Protokoll und Reinforcement Learning

Die Studie folgt einem einfach-blinden, randomisierten Cross-Over-Design mit nur einem subjektinternen Faktor (Stimulationsbedingung, 2 Stufen: taVNS, Schein), was zu 2 experimentellen Sitzungen pro Teilnehmer führt.

Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Verabreichung einer tonischen Stimulation, die kontinuierlich mit einem 30-Sekunden-AN-30-Sekunden-AUS-Stimulationsprotokoll über die gesamte Aufgabendauer angewendet wurde. In jüngerer Zeit wurden Protokolle entwickelt, die kurze taVNS-Bursts liefern, um vagale Signale besser nachzuahmen. Allerdings sind optimale Parameter (z. B. Stimulationslänge, Frequenz) zur Auslösung phasischer Signale noch nicht bestimmt. Um zu testen, welche Kombination von Parametern am erfolgreichsten phasische Reaktionen hervorruft, führten die Forscher eine Pilotdatenerfassung mit einer Reihe von Parametern durch, in denen taVNS und Scheinstimulation verglichen wurden. Als Stellvertreter für die phasische Signalübertragung untersuchten die Forscher Pupillenerweiterungen, die durch den Locus coeruleus, ein Hauptziel des Vagusnervs, vermittelt werden. Zehn Teilnehmer wurden zu zwei Sitzungen (taVNS, Schein) eingeladen, in denen sie eine gepulste Stimulation mit den folgenden Einstellungen erhielten: Stimulationsdauer 1, 2 oder 3 Sekunden, Stimulationsfrequenz 20, 25 oder 30 Hz. Als Ergebnis dieses Pilotprojekts stellten die Forscher fest, dass die meisten Pilotteilnehmer (7 von 10) bei einer 1-sekündigen Stimulation mit einer Frequenz von 20 Hz die stärkste taVNS-induzierte Reaktion im Vergleich zu Scheinreaktionen zeigten. Daher wird diese Kombination von Einstellungen während der Hauptstudie implementiert. Zur Stimulation wird der tVNS Health - R® (tVNS Health, Erlangen, Deutschland) und zum Eye-Tracking der SR Research Eyelink 1000Plus® verwendet.

Für die Hauptstudie werden die Teilnehmer zu drei experimentellen Sitzungen eingeladen. Die Forscher beobachteten eine beträchtliche interindividuelle Variabilität in der Pupillenreaktion auf Stimulation, und eine ähnliche Variabilität wurde bereits zuvor für taVNS-induzierte Gehirnreaktionen beschrieben. Diese Variabilität könnte teilweise mit unterschiedlichen anatomischen Merkmalen zusammenhängen. Daher absolvieren die Teilnehmer zunächst eine Eye-Tracking-Sitzung, um die Reaktion ihrer Pupille auf kurze taVNS-Impulse zu bewerten. Die Forscher laden dann nur Teilnehmer, die auf taVNS reagieren, zu den Neuroimaging-Sitzungen ein, um zu testen, ob kurze Stimulationsimpulse grundsätzlich phasische Signale induzieren können. In der ersten Sitzung wird die Einwilligung nach Aufklärung eingeholt. Die Pupillenreaktion auf die Stimulation mit den gewählten Stimulationseinstellungen (1 s und 20 Hz, 45 Versuche, ~25 min) im Vergleich von taVNS und Scheinstimulation (zwei Blöcke, getrennt durch eine 5-minütige Pause nach einer zufälligen Reihenfolge) wird getestet, um zu bestätigen, dass sie a hervorrufen robuste Pupillenreaktion. taVNS an der rechten Beckenmuschel für aktives taVNS und Scheinstimulation am Ohrläppchen wird verwendet. Für die beiden Neuroimaging-Sitzungen planen die Forscher, Teilnehmer einzuladen, die während der ersten Sitzung eine größere Pupillenerweiterung für taVNS im Vergleich zur Scheinstimulation zeigten. Die Ermittler werden in einer Sitzung taVNS verabreichen und in der anderen eine Scheinbehandlung durchführen. Die Sitzungsreihenfolge wird zufällig ausgewählt. Während der Kalibrierung wird die Stimulationsintensität so angepasst, dass sie einem leichten prickelnden Gefühl bei taVNS und Sham entspricht. Wie bereits berichtet, wird die Intensität von 0,1 mA in Schritten von 0,1 mA erhöht, bis der Teilnehmer berichtet, dass er dieses Gefühl verspürt. Um eine wirksame Verblindung zu gewährleisten, koppeln die Forscher nicht gewinnende Hinweise (für die Blöcke, in denen Stimulation mit belohnendem Feedback gepaart ist) oder Aktionen, die mit dem falschen Reiz verbunden sind (der Hinweis gibt in den Blöcken, mit denen Stimulation gepaart ist, mit geringerer Wahrscheinlichkeit eine Belohnung). eine Aktion) mit einer Stimulation geringer Intensität (0,1 mA). Dies dient als zusätzliche Kontrollbedingung, um die Auswirkungen der tatsächlichen Stimulation (hohe Intensität) mit einer Stimulation zu vergleichen, die keine vagalen Afferenzen aktivieren sollte (niedrige Intensität). Die Teilnehmer werden darüber informiert, dass sie in allen Versuchen eine Stimulation mit unterschiedlicher Intensität erhalten, auch wenn die Stimulation nicht immer wahrgenommen wird.

Vor dem Betreten des Scanners absolvieren die Teilnehmer eine kurze Übung der instrumentellen Lernaufgabe, um sich mit der Struktur und dem Ablauf der Aufgabe vertraut zu machen. Anschließend betreten die Teilnehmer den fMRT-Scanner. Hier führen die Forscher eine Kalibrierung der Stimulationsintensität sowie eine weitere kurze Übung der Aufgabe durch, um das während der Aufgabe verwendete Griffkraftgerät zu kalibrieren. Nach dieser zweiten Übung wird ein anatomisches Bild aufgenommen, gefolgt von einer Ruhezustandsmessung zur Analyse der funktionellen Konnektivität. Während der Messung wird ein Film gezeigt, um die Bewegung zu reduzieren und das Einschlafen des Teilnehmers zu verhindern (Inscapes). Zum Abschluss der Sitzung führen die Teilnehmer die instrumentelle Lernaufgabe (im folgenden Abschnitt beschrieben) mit gleichzeitiger taVNS- oder Scheinstimulation (ca. 1 Stunde Stimulation) durch.

Instrumentelle Lernaufgabe Eine probabilistische Lernaufgabe zur Bewertung des Potenzials von gepulstem taVNS für instrumentelles Lernen wird verwendet, wobei die Teilnehmer anhand spezifischer Hinweise lernen müssen, welche Aktionen mit höheren Belohnungswahrscheinlichkeiten verbunden sind. Den Teilnehmern werden Paare abstrakter Reize präsentiert und sie lernen durch Ausprobieren, welcher Hinweis eher zu einer Belohnung führt. Für jedes Reizpaar werden die Teilnehmer angewiesen, einen Reiz auszuwählen, indem sie drei aufeinanderfolgende Sekunden lang ein Griffkraftgerät drücken. Sie halten in jeder Hand ein Griffkraftgerät und werden angewiesen, die Griffkraft zu drücken, die der Seite des ausgewählten Reizes entspricht.

Um unterschiedliche Schwierigkeitsgrade bereitzustellen, unterscheiden sich die Gewinnwahrscheinlichkeiten des „richtigen“ Stimulus zwischen einfachen und schweren Prüfungen. Bei einfachen Versuchen beträgt die Gewinnwahrscheinlichkeit des richtigen Reizes 0,75, was bedeutet, dass die Auswahl der zugehörigen Aktion in 75 % der Fälle zu einer Belohnung führt. In harten Prüfungen liegt die Gewinnwahrscheinlichkeit des richtigen Reizes mit 0,65 etwas niedriger. Die Gewinnwahrscheinlichkeit des anderen Reizes (des „falschen“ Reizes) wird als 1 minus der Wahrscheinlichkeit des richtigen Reizes berechnet.

Die Aufgabe besteht aus acht Cue-Paaren, die in vier Blöcke unterteilt sind. Jeder Block enthält zwei Paare, eines mit hohem Schwierigkeitsgrad und eines mit niedrigem Schwierigkeitsgrad. Während zwei Blöcken werden die Teilnehmer unabhängig von der gewählten Aktion immer dann mit hochintensiver Stimulation stimuliert, wenn sie eine Belohnung erhalten. Während der anderen beiden Blöcke wird die Stimulation immer dann verabreicht, wenn die Teilnehmer die Aktion ausführen, die mit dem richtigen Reiz verbunden ist (der Hinweis, der mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Belohnung auslöst), unabhängig vom Ergebnis. Als zusätzliche Kontrollbedingung zusätzlich zum Schein wird die Intensität zwischen taVNS niedriger Intensität, das nicht ausreicht, um eine vagale Aktivierung zu induzieren (konstant bei allen Teilnehmern) und hochintensiver Stimulation, wie durch individuelle Kalibrierung bestimmt, variiert. Bei jedem Versuch erhält die richtige Wahl eine Stimulation mit hoher Intensität, während die falsche Wahl mit einer Stimulation mit niedriger Intensität gepaart wird.