Cognitive training and non-invasive brain stimulation - Effects of a combined multi-day intervention on the visuospatial memory performance in healthy elderly subjects

Abstract

Einleitung: Das Objekt-Lokalisierungs-Gedächtnis (Object-Location-Memory, OLM) unterliegt altersabhängigen Veränderungen. Defizite treten nicht nur bei pathologischen Formen des Alterns auf, sondern auch im Verlauf des nicht-pathologischen Alterns. Aktuelle Forschungsansätze zielen auf Prävention und Erhalt kognitiver Fähigkeiten im Alter ab. Kognitives Training (engl.: Cognitive Training, CT) und nicht-invasive Hirnstimulation erwiesen sich in Untersuchungen als vielversprechende supportive Therapie-Ansätze und mögliche synergistische Effekte beider Methoden werden erforscht. Die vorliegende Studie untersuchte erstmals den Einfluss von mehrtägigem CT und simultaner anodaler transkranieller Gleichstromstimulation (engl.: anodal transcranial Direct Current Stimulation, atDCS) auf die Gedächtnisleistung des OLM bei gesunden älteren Erwachsenen. Methodik: In dieser Teilnehmer-verblindeten, sham-kontrollierten Studie im cross-over Design wurden 32 gesunde ältere Probanden pseudo-randomisiert (nach Alter und Geschlecht balanciert) zwei Versuchsbedingungen zugewiesen. Die Probanden erhielten an drei aufeinanderfolgenden Tagen ein computerbasiertes OLM–Training. Die Stimulation mittels atDCS erfolgte zeitgleich für 20 Minuten (Stimulationsbedingung, atDCS), bzw. 30 Sekunden (Scheinstimulation, sham) mit 1 Milliampère über dem rechten temporo-parietalen Kortex. Die Lernaufgabe bestand darin, auf einem fiktiven Stadtplan die korrekten Paare von Objekten (Gebäuden) und Lokalisierungen (Positionen) zu erlernen. Vor und nach jedem Trainingstag (T1-3), einen Tag später (post1) und einen Monat später (post2), wurde die Gedächtnisleistung erhoben. Die Leistung im Gedächtnisabruf wurde berechnet über die Prozentzahl der korrekten Antworten. Die Analyse erfolgte mittels Varianzanalysen für wiederholte Messungen sowie Kovarianzanalysen zur explorativen Untersuchung von individuellen Einflussfaktoren. Es wurden online, offline und verzögert auftretende Effekte untersucht. Ergebnisse: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kombinierte Anwendung von CT und atDCS bei gesunden älteren Erwachsenen nicht zur Verbesserung der unmittelbaren (online) oder verzögerten OLM-Leistung gegenüber der sham-Bedingung führt. Der Prozentsatz korrekt erinnerter Stimuli war in beiden Bedingungen vergleichbar. Einzig der offline Abruf nach der ersten Nacht des Trainings zeigte eine geringfügige Leistungsverbesserung in der atDCSBedingung. Dies deutet auf mögliche positive Effekte von atDCS auf frühe Konsolidierungsphasen hin. Diese Tendenz blieb im Verlauf der folgenden Nächte und Gedächtnisabrufe jedoch nicht bestehen. Schlussfolgerung: In dieser Studie konnte die Annahme, dass die kombinierte Anwendung von atDCS und CT einen synergistischen Effekt erzielt, für gesunde ältere Probanden nicht bestätigt werden. Die Kombination von CT und atDCS erzielte keine signifikante Verbesserung der unmittelbaren oder verzögerten OLM-Leistung, verglichen mit Training allein. Es ergaben sich Hinweise auf einen möglichen positiven Effekt von atDCS auf frühe Konsolidierungsprozesse über Nacht nach dem ersten Trainingstag. Methodische Besonderheiten des Studiendesigns, sowie intra-individuelle Variabilität und inter-individuelle Faktoren könnten jedoch die Zusammenhänge beeinflusst haben und sollten in künftigen Untersuchungen berücksichtigt werden.Introduction: Deficits in Object-Location-Memory (OLM) are known to occur not only in pathological forms of aging but also over the course of non-pathological aging. Current research approaches, aimed at preserving cognitive abilities and preventing pathological cognitive decline, are focusing on the combination of cognitive training programs (CT) and non-invasive brain stimulation. This study is the first to examine the effects of a multi-day cognitive training and simultaneous anodal transcranial Direct Current Stimulation (atDCS) on OLM abilities in healthy elderly subjects. Methods: In a subject-blinded, sham-controlled cross-over design, 32 healthy elderly adults underwent a computerized OLM-training on three consecutive days. Pseudo-randomized (matched according to age and gender), the subjects were assigned to one of two conditions, receiving either active atDCS (stimulation 20 minutes, 1 mA) or sham (stimulation 30 seconds, 1mA) over the right temporo-parietal cortex during each training. The OLM training involved a 2-dimensional street map, on which object pictures (buildings) were displayed in varying locations. Subjects were asked to memorize the correct object-position pairs and performance was tested on each training day (T1-3), as well as after one day (post1) and after 1 month (post2). Memory performance was measured as percentage of correct responses and analyzed by 2x2-ANOVAs for repeated-measures and ANCOVAS, controlling for individual covariates. Analyses of online, offline and delayed effects were performed. Findings: Our results indicate that the combined application of atDCS and CT does not lead to improved OLM-performance in healthy elderly adults compared to the sham condition. The percentage of correctly recalled stimuli did not differ between test conditions. Only the offline recall after the first night of training showed small gains in performance for active stimulation over sham, indicating beneficial effects of atDCS on early stages of consolidation. However, this tendency was not observed for any of the following recalls. Conclusion: The results of the present study do not support the hypothesis that the combined application of atDCS and CT leads to synergistic effects on immediate or delayed OLM performance in healthy elderly adults compared to sham condition. Subtle beneficial effects were observed for early stages of consolidation during the first night after training. Methodological specifics of the experimental approach, intra-individual variability and inter-individual factors, however, might have skewed the results and should be taken into account in future studies