Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Technik zur Neuro-Modulation, bei der schwache Ströme durch Elektroden auf der Kopfhaut gesendet werden, um vorübergehend Eigenschaften des Gehirns zu verändern. Durch die gezielte Beeinflussung bestimmter kortikaler Bereiche haben Forscher tDCS eingesetzt, um Motorik, Emotionen, Gedächtnis, Sprachverarbeitung und verschiedene andere kognitive Funktionen zu beeinflussen. Konventionell wird bei der tDCS eine bipolare Standardmontage verwendet, um eine bestimmte Hirnregion von Interesse zu stimulieren, was in der Literatur zu unterschiedlichen Ergebnissen führte. In jüngster Zeit haben Optimierungsmethoden für die mehrkanalige tDCS (mc-tDCS) an Interesse gewonnen, die genau auf einen bestimmten Hirnbereich abzielen und das Potenzial haben, kontrolliertere und konsistentere Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger mc-tDCS-Ansatz, der Distributed Constrained Maximum Intensity Approach (D-CMI), vorgeschlagen, um die somatosensorische P20/N20-Zielquelle des menschlichen Gehirns im Brodmann-Areal 3b zu stimulieren. Um die P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b für die tDCS genau zu rekonstruieren, wird eine integrierte und kombinierte Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) Quellenanalyse mit individualisierter, auf die Leitfähigkeit des Schädels kalibrierter realistischer Kopfmodellierung vorgeschlagen. Die D-CMI-Methode wird für die somatosensorische P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b zunächst in einer Simulationsstudie und dann in einer experimentellen Validierungsstudie untersucht. In der Simulationsstudie wurden simulierte elektrische Felder (EF) für die neue D-CMI-Methode und die bereits bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Maximalintensitäts- (MI) und Standard-Bipolarmethoden erzeugt und für die individualisierten somatosensorischen P20/N20-Ziele verglichen. Die praktische Anwendbarkeit des D-CMI-Ansatzes wird in einer experimentellen Studie zur Stimulation der somatosensorischen P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b getestet und mit bipolaren Standard-TDCS- und Sham-TDCS-Bedingungen verglichen. Für den Vergleich werden die Daten der mit dem Finger elektrisch stimulierten somatosensorisch evozierten Felder (SEF) vor und nach der Anwendung der drei verschiedenen tDCS-Bedingungen (D-CMI, bipolare Standard- und Sham-Bedingungen) aufgezeichnet. Insbesondere werden die 20ms SEF-Spitzenamplituden vor und nach der Anwendung der drei tDCS-Bedingungen verglichen, um die Leistung von D-CMI im Vergleich zu Sham und bipolarer Standard-TDCS zu testen. Die in dieser Arbeit aus der Simulationsstudie gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass die individualisierten D-CMI mc-tDCS-Montagen im Vergleich zur bipolaren Standardmethode hohe Stromintensitäten am Ziel zeigten. Ein weiterer Aspekt der individualisierten D-CMI-Montagen ist die potenzielle Reduzierung von Nebenwirkungen und Hautempfindungen. In dieser Hinsicht berücksichtigt die D-CMI die wichtigsten Stimulationsparameter, wie z. B. eine hohe Zielgerichtetheit (DIR) mit dem Potenzial geringerer Hautsensationen und elektrischer Feldamplituden in entfernten Hirnarealen. Die statistischen Vergleiche der 20ms SEF-Spitzenamplituden aus der experimentellen Studie in dieser Arbeit zeigten, dass der D-CMI-Ansatz den bipolaren Standard-TDCS-Ansatz, der auf das somatosensorische Brodmann-Areal 3b abzielt, übertrifft. Eine reduzierte Hautempfindung und Konsistenz während des gesamten Experiments mit D-CMI-basierter Scheinkonditionierung war ebenfalls erfolgreich. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die D-CMI-Methode in Verbindung mit einer hochindividualisierten Schädelkonduktivität, die durch eine realistische Kopfmodellierung kalibriert wird, zu einer besseren Kontrolle der Stimulationsergebnisse führen kann als die Standard-TDCS-Methoden. Eine integrierte kombinierte MEG- und EEG-Quellenanalyse mit D-CMI-Montagen für die mc-tDCS-Stimulation kann möglicherweise die Kontrolle und Reproduzierbarkeit verbessern und die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen Schein- und realen Simulationen verringern.Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive neuro-modulation technique that uses weak currents sent through electrodes on the scalp to transiently alter characteristics of the brain. Targeting specific cortical areas researchers have employed tDCS to influence motor functioning, emotion, memory, language processing and various other cognitive functions. Conventionally, a standard bipolar montage is used in tDCS to stimulate a certain brain region of interest that resulted in variable outcomes throughout the literature. Recently, multi-channel tDCS (mc-tDCS) optimization methods have gained interest in accurately targeting a specific brain area that have the potential to produce more controlled and consistent results. In this thesis, a novel mc-tDCS approach, the distributed constrained maximum intensity approach (D-CMI), is proposed to stimulate the human brain’s somatosensory P20/N20 target source at Brodmann area 3b. To reconstruct the P20/N20 target source at Brodmann area 3b accurately for tDCS, an integrated and combined magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) source analysis with individualized skull conductivity calibrated realistic head modeling is proposed. The D-CMI method is investigated targeting the somatosensory P20/N20 target source at Brodmann area 3b with first a simulation study and then experimental validation study. In the simulation study, simulated electric fields (EF) for the new D-CMI method and the already known state of the art maximum intensity (MI) and standard bipolar methods were produced and compared for the individualized P20/N20 somatosensory targets. The practical applicability of the D-CMI approach is tested in an experimental study to stimulate the somatosensory P20/N20 target source in Brodmann area 3b and compare it with standard bipolar tDCS and Sham tDCS conditions. For comparisons, recording of the electrically finger stimulated somatosensory evoked fields (SEF) data before and after the application of the three different tDCS conditions (D-CMI, standard bipolar and Sham) is conducted. Specifically, the 20ms SEF peak amplitudes are compared before and after the application of the three tDCS condition to test the performance of D-CMI compared to Sham and standard bipolar tDCS. The results obtained in this thesis from the simulation study showed that the individualized D-CMI mc-tDCS montages showed high current intensities at the target compared to the standard bipolar method. Another aspect of individualized D-CMI montages is potentially reduced side effects and skin sensations. In this regard, the D-CMI takes into account the most important stimulation parameters such as high target directionality (DIR) with the potential of lower skin sensations and electric field amplitude in distant brain areas. The statistical comparisons 20ms SEF peak amplitudes from the experimental study in this thesis showed that the D-CMI approach outperforms the standard bipolar tDCS approach targeting the somatosensory Brodmann area 3b. Reduced skin sensation and consistency throughout the experiment with D-CMI based sham conditioning was also successful. In conclusion, individualized mc-tDCS D-CMI montages provide a good balance between high current intensities at the target and reduced side effects and skin sensations. The results in this thesis indicate that the D-CMI method together with highly individualized skull conductivity calibrated realistic head modeling can lead to better control over stimulation outcomes outperforming the standard tDCS methods. An integrated combined MEG and EEG source analysis with D-CMI montages for mc-tDCS stimulation potentially can improve control, reproducibility and reduce sensitivity differences between sham and real simulations
