Icke-invasiv temporär interferensstimulering: Modulerande associativt minne genom att rikta in sig på djupa hjärnmål (Deep-HiPs)

Alzheimers sjukdom och dess prekliniska stadier kännetecknas av progressiva neurodegenerativa förändringar i hippocampi och standardlägesnätverket [1] vilket resulterar i dysfunktioner i episodiskt minne och dess centrala del det associativa minnet [1,2]. Kodning av associativ information sker i de distribuerade hjärnnätverken som involverar inferior frontal cortex, fusiform cortex, mediala temporalloben, premotorisk och posterior parietal cortex inklusive precuneus [3,4]. Tidigare studier har visat att genom att rikta in sig på specifika noder inom kortiko-hippocampus-kretsarna via verktygen för icke-invasiv hjärnstimulering kan det associativa minnet (AM) prestanda manipuleras [5-8], men endast relativt ytområden av denna krets var tillgänglig med nuvarande icke-invasiva stimuleringstekniker. Nya modaliteter av icke-invasiv transkraniell elektrisk stimulering såsom temporal interferensstimulering (TIS) har ett löfte om att stimulera djupare hjärnstrukturer utan att kompromissa med fokaliteten [9].

TIS förlitar sig på höga frekvenser som kan penetrera med relativt låg förlust. Högfrekventa bärare (>1 kHz) som emitteras av två (eller flera) par kutana elektroder kan interferera tillfälligt vid djupa perifera nervmål. Den effektiva stimuleringsfrekvensen är lika med offsetfrekvensen mellan bärvågorna. Genom att kontrollera fältorientering och frekvensförskjutning kan hotspoten för konstruktiv interferens riktas exakt. Den viktigaste aspekten av denna metod är användningen av bärvågor vid frekvenser högre än 1 kHz. Frekvenser över detta intervall betraktas som icke-stimulerande och genomgående vävnader med relativt låg förlust. Även om dessa högre frekvenser inte stimulerar neural vävnad, kan interferensenveloppen för två fasförskjutna frekvenser framkalla aktionspotentialer eftersom offsetfrekvensen (aka "beat") kan ställas in i enlighet därmed till < 100 Hz. De senaste studierna visade positiva beteendeeffekter av TIS applicerad över den primära motoriska cortex [10] eller motoriska striatum [11] hos friska unga vuxna. Hittills har inga studier undersökt effekten av TIS på AM.

De specifika målen inkluderar: 1) Implementera en ny teknik för temporal interferensstimulering (TIS) i en proof-of-concept-studie inriktad på djupa strukturer i kortiko-hippocampus-kretsen, som fram till detta datum var otillförlitliga ouppnåeliga med icke-invasiva stimuleringstekniker, med syftet att modulera associativt minne hos friska seniorer. 2) Utforska neurala grunder för TIS-effekter och hitta biomarkörer förknippade med bättre tidsinterferensstimuleringsresultat och med optimalt urval av kandidater genom att använda EEG/fMRI-tekniker

1. Salami, Alireza, et al. "Förhöjd hippocampus vilotillståndskonnektivitet ligger till grund för bristfällig neurokognitiv funktion vid åldrande." Proceedings of the National Academy of Sciences 111.49 (2014): 17654-17659.
2. Preston, A. R. och Eichenbaum, H. (2013). Samspel mellan hippocampus och prefrontal cortex i minnet. Curr. Biol. 23, R764-R773. doi: 10.1016/j.cub. 2013.05.041
3. Eichenbaum, H. Prefrontal-hippocampala interaktioner i episodiskt minne. Nat. Rev. Neurosci. 18, 547-558 (2017).
4. Wagner, A.D., et al. Parietallobens bidrag till episodisk minneshämtning. Trender Cogn. Sci. 9, 445-453 (2005).
5. Koch, Giacomo, et al. "Transkraniell magnetisk stimulering av precuneus förbättrar minne och neural aktivitet vid prodromal Alzheimers sjukdom." Neurobild 169 (2018): 302-311.
6. Lang, Stefan, et al. "Thetaband högupplöst transkraniell växelströmsstimulering, men inte transkraniell likströmsstimulering, förbättrar associativ minnesprestanda." Vetenskapliga rapporter 9.1 (2019): 1-11.
7. Wang, Jane X., et al. "Riktad förbättring av kortikala-hippocampus hjärnnätverk och associativt minne." Science 345.6200 (2014): 1054-1057.
8. Wang, He, et al. "Kortiko-hippocampus hjärnanslutningsstyrd repetitiv transkraniell magnetisk stimulering förbättrar ansiktsstyrt ordbaserat associativt minne på kort sikt." Frontiers in Human Neuroscience 14 (2020).
9. Grossman, Nir, et al. "Icke-invasiv djup hjärnstimulering via temporärt störande elektriska fält." Cell 169,6 (2017): 1029-1041.
10. Ma, Ru, et al. "Hög gamma- och beta-temporal interferensstimulering i den mänskliga motoriska cortexen förbättrar motoriska funktioner." bioRxiv (2021).
11. Wessel, Maximilian Jonas, et al. "Bevis för stimuleringseffekter av temporal interferens (TI) på motorisk striatum." Hjärnstimulering: grundläggande, translationell och klinisk forskning inom neuromodulering 14.6 (2021): 1684.