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Influence of sensorimotor ” rhythm phase and power on motor cortex excitability and plasticity induction, assessed with EEG-triggered TMS
In dieser Arbeit werden zwei Experimente vorgestellt, bei denen EEG-getriggerte
transkranielle Magnetstimulation (TMS) an gesunden Probanden eingesetzt wurde,
um die Rolle des sensomotorischen 8-14Hz ”-Rhythmus auf die kortikospinale
Erregbarkeit (CSE) und die Induktion positiver PlastizitÀt zu untersuchen. Unser
Ziel war es, fĂŒr PlastizitĂ€tsinduktion gĂŒnstige Zeitpunkte im EEG zu identifizieren,
um in Zukunft die EffektivitÀt solcher zurzeit oft noch unzuverlÀssigen Anwendungen zu steigern. Unser EEG-TMS System interpretierte Oszillationen im EEG in
Echtzeit und löste einen Stimulus aus, wenn bestimmte, vorher festgelegte Eigenschaften zutrafen. Die âGehirnwellenâ im EEG entstehen durch synchronisierte
Fluktuationen des Membranpotentials kortikaler Neurone, welche aufgrund ihrer
intrakortikalen Kommunikationsfunktion wertvolle Informationen ĂŒber neuronale
Erregbarkeit vermitteln. Im Gegensatz zu âopen-loopâ TMS ermöglicht EEG-TMS
nicht nur eine prÀzisere Erforschung der Funktion von Gehirnwellen, sondern
auch die Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in effizientere therapeutische Anwendungen. Speziell Oszillationen im Alpha-Frequenzbereich (8-14Hz)
spielen eine bedeutsame Rolle, indem sie den Informationsfluss im Gehirn durch
Hemmung aktuell irrelevanter Areale steuern, und zwar laut einer fĂŒhrenden Theorie als âasymmetrisch gepulste Inhibitionâ mit einem Maximum der Hemmung
wĂ€hrend der Hochpunkte (âPeaksâ) und wĂ€hrend hoher âPowerâ (⌠Amplitude).
Der â”-Rhythmusâ, Wellen in alpha-Frequenz ĂŒber dem sensomotorischen Kortex, scheint fĂŒr diese Areale eine analoge Rolle wie das okzipitale Alpha fĂŒr den
visuellen Kortex zu spielen. Die CSE lÀsst sich durch die Amplitude der ausgelösten kontralateralen Muskelzuckungen (MEPs im EMG) quantifizieren.
Im Vorexperiment erforschten wir den Einfluss der Power der ”-Wellen auf die
CSE. 16 Teilnehmer wurden in einer Sitzung mit Einzelpuls-TMS des linken M1
stimuliert. Die Pulse wurden durch die momentane Power ausgelöst, 10 Dezile
des individuellen ”-Powerspektrums wurden in pseudorandomisierter Reihenfolge angesteuert, verteilt auf 4 Stimulationsblöcke. Nach BerĂŒcksichtigung der
âInter-Trial-Intervalleâ (ITIs, bekannter âConfounderâ) und Normalisierung pro Block
zeigten unsere Daten eine schwache positiv-lineare Korrelation zwischen ” Power
und MEP-Amplitude, welche somit im Widerspruch zur angenommenen hemmenden Wirkung von ” steht, aber mittlerweile in mehreren anderen Studien
repliziert wurde. Diese Diskrepanz kann z.B. durch eine tatsÀchlich fazilitatorische
Wirkung erklÀrt werden, oder auch durch eine anatomisch dem sensorischen
Kortex (S1) zuzuordnende Quelle der angesteuerten ”-Wellen, was ĂŒber hem-
83mende Interneurone von S1 auf M1 zu einer âVorzeichenumkehrungâ der Effektrichtung fĂŒhren könnte. Weiterhin wird eine AbhĂ€ngigkeit der âerregbarstenâ
Power-Werte von der StimulusstÀrke diskutiert.
Im Hauptexperiment sollte mit âpaarig-assoziativer Stimulationâ (PAS) (intervallsensitive Kombination von Elektrostimulation des rechten Nervus medianus mit TMS
des linken M1) positive PlastizitĂ€t (die Intervention ĂŒberdauernde StĂ€rkung von
Synapsen) induziert werden. Dem ging ein umfangreiches âScreeningâ zur Identifikation geeigneter Probanden mit ausgeprĂ€gtem ”-Rhythmus (fĂŒr prĂ€zise EEGTriggerung) voraus. Letztlich absolvierten 16 Teilnehmer je 4 Sitzungen (eine pro
Trigger-Bedingung). Unsere Hypothese war hierbei, mehr PlastizitĂ€t nach Stimulation wĂ€hrend der Tiefpunkte (âTroughsâ) als wĂ€hrend der Peaks zu erzielen,
also mehr synaptische âFormbarkeitâ wĂ€hrend höherer Erregbarkeit. In Anbetracht der schwachen Ergebnisse des Vorexperiments sowie einer widersprĂŒchlichen Beweislage bezĂŒglich einer fazilitatorischen oder inhibitorischen Funktion
wurden hohe und niedrige Power nicht explizit miteinander verglichen. TMS
wÀhrend PAS wurde durch (1) ”-Peaks, (2) ”-Troughs, (3) mittlere ”-Power und
(4) open-loop getriggert. (3) und (4) dienten jeweils als Kontrollbedingung. PAS
konnte, unabhÀngig von der EEG-Bedingung, keine signifikante VerÀnderung der
MEP-Amplituden vom Ausgangswert hervorrufen. Die fehlende Wirkung könnte durch intra- und interindividuelle Schwankungen gewisser Parameter zwischen den Sitzungen erklÀrt werden (z.B. MEP-Ausgangswerte, absolute ”-Power
wÀhrend PAS), die sich jedoch nicht als systematische Confounder zwischen
EEG-Bedingungen herausstellten.
Die, im Gegensatz zu open-loop-Studien, schwankenden ITIs wÀhrend der PAS
könnten die Wirkung ebenfalls beeintrÀchtigt haben. Weiterhin waren zwei verschiedene Kortexareale (S1 und M1) am Protokoll beteiligt, was die Identifikation
einer relevanten EEG-Eigenschaft erschwerte.
GegenwÀrtig rufen PlastizitÀts-induzierende TMS-Protokolle in der Forschung und
in Studien mit Schlaganfallpatienten schwankende und zeitlich begrenzte Wirkungen hervor. Durch EEG-Triggerung und / oder die Kombination mit klassischer
Physiotherapie könnte eine verbesserte EffektivitĂ€t und somit eine routinemĂ€Ăige
Anwendung erreicht werden. Trotz unserer negativen Ergebnisse bleibt EEG-getriggerte TMS ein vielversprechendes Instrument in Forschung und Klinik.This thesis presents two experiments employing real-time EEG-triggered transcranial magnetic stimulation (TMS) on healthy volunteers to investigate the role
of sensorimotor 8-14Hz ” rhythm in EEG at rest on corticospinal excitability and
induction of positive plasticity. We intended to identify brain states favorable to
induction of positive plasticity to inform development of more efficient TMS protocols for clinical application e.g. in stroke patients.
Applying TMS triggered by pre-determined EEG brain states in real time (opposed to open-loop TMS with post-hoc trial sorting) offers not only more precise
research into the role of certain brain waves, but also translation into more efficient therapies. The membrane potential of superficial cortical neurons fluctuates
rhythmically, visible as oscillations in surface EEG. Different brain areas seem to
communicate through these synchronized fluctuations. âBrain wavesâ therefore
convey valuable information about the excitability of said areas.
Oscillations in the alpha frequency range (8-14Hz) play a crucial role in this, gating information by inhibiting brain areas irrelevant to the current task. According to
an influential hypothesis, this function is exerted as an âasymmetric pulsed inhibitionâ, with a maximum of inhibition during the peaks and during high alpha power
(⌠amplitude). Sensorimotor alpha frequency waves (” rhythm) play a similar role
as the well-researched occipital alpha does for the visual cortex. The primary motor cortex (M1) provides a quantifiable measure of (corticospinal) excitability, the
amplitude of TMS-elicited contralateral muscle twitches (appearing as MEPs in
the EMG).
The first experiment investigated the role of ” power for M1 excitability. 16 participants underwent one session of single-pulse TMS of the left M1, triggered by
overall 10 individual power deciles in pseudorandomized order, partitioned into
4 âblocksâ of stimulation over time. The data revealed, after stratification for confounding inter-trial-intervals (ITIs) and normalization to block average, a weak
positive linear relationship contrary to the proposed inhibitory role of ”, which has
however since been replicated several times in other studies. This discrepancy
can be explained e.g. by an in fact facilitatory nature of ”, by a postcentral and
thus sensory cortical (S1) source of the targeted oscillations, reversing the inhibitory effect in sign to a facilitatory one through S1-to-M1 feedforward inhibition,
or by a shift of most excitable power values dependent on stimulus strength.
For the main experiment, we applied a paired associative stimulation (PAS) pro-
81tocol intended to induce positive plasticity (strengthening of synaptic connection
outlasting the intervention), combining electrical stimulation of the right median
nerve at the wrist with a TMS of the left M1 in a temporally sensitive manner. After an extensive screening to pre-select suitable subjects with a sufficiently strong
” rhythm (to ensure accurate performance of the real-time EEG targeting), 16
participants completed 4 sessions (one condition each). We expected to induce
more positive plasticity during more excitable brain states, i.e., ” troughs rather
than ” peaks. In light of our findings on ” power from the first experiment (weak
influence as compared to ITIs and intrinsic variability over time) and overall contradictory evidence as to its (facilitatory versus inhibitory) role, high vs. low power
were not explicitly compared. TMS during PAS was applied at (1) ” peaks, (2)
” troughs, (3) at medium ” powers and (4) open-loop. (3) and (4) both served
as controls. The intervention failed to evoke a significant change in MEP amplitudes from baseline irrespective of condition. Possible explanations can be found
in the intra- and interindividual variability of decisive parameters across sessions
(e.g. baseline amplitudes and absolute ” powers during PAS), which however did
not significantly depend on the targeted condition and were thus not true confounders. The number of sessions might still have introduced a further measure
of variability. Varying PAS ITIs (due to EEG-triggering) could have also impeded
plasticity induction, and the involvement of two cortical regions (S1 and M1) might
have complicated the identification of one relevant brain state.
Currently, plasticity-inducing TMS protocols in research and clinical trials evoke
variable and transient effects. Improvements to enable routine application might
come from EEG-triggering and/or combining with traditional motor training (physiotherapy). Regardless of our nil results in plasticity induction, EEG-triggered
TMS remains a promising instrument in research and therapy