Induktion synaptischer Plastizität beim Menschen durch individualisierte, biphasische repetitive I-Wellen adaptierte Transkranielle Magnetstimulation

• Antragsteller: Dr.-Ing. Bernhard Gleich; Dr. Nikolai Jung
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kinder- und Jugendmedizin
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398820493

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Synaptische Plastizität in Form von Langzeitpotenzierung (engl. long-term potentiation; LTP) und Langzeitdepression (engl. long term depression; LTD) gilt als neurophysiologisches Korrelat jeglicher Lernprozesse des menschlichen Gehirns. Die sogenannte repetitive Transkranielle Magnetstimulation (rTMS) ist ein weit verbreitetes, nicht-invasives und schmerzloses Verfahren zur Untersuchung und Induktion synaptischer Plastizität beim Menschen. Der Einsatz der rTMS erhält mehr und mehr Einzug in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung und in der Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen, wie der therapieresistenten Depression und der motorischen Rehabilitation nach Schlaganfall bei Erwachsenen und Kindern. In eigenen Vorarbeiten konnten wir ein neues, ultra-schnelles rTMS Protokoll entwickeln, die so genannte quadripulse theta burst stimulation (qTBS). Dies besteht aus Paketen mit 4 Pulsen (quadri-pulse), die in Theta-Frequenz wiederholt werden. Allgemein zeigt die rTMS in Hinblick auf die Effekte jedoch eine große interindividuelle Variabilität. Diese Variabilität der TMS könnte auch durch individuelle, kortikale Oszillationen, so genannte I-Wellen, getriggert sein. Gemäß ihren Latenz-Maxima, sind im Wesentlichen drei I-Wellen bekannt (I1-3), die mit einem Abstand von ca. 1,5 ms auftreten. Diese scheinen eine Rolle in der Ausbildung und der Modulation synaptischer Plastizität im menschlichen motorischen Kortex zu spielen und treten mit inter-individuelle Latenzen auf. Wir haben eine neue Technik entwickelt, die individuell einstellbare, an die I-Wellen angepasste Stimulationsparameter erlaubt. In einem ersten Schritt haben wir die Metaplastizität der I-Wellen adaptierten Stimulation untersucht. Als Vorarbeit zu einer individuellen, I-Wellen adaptierten Stimulation haben wir die Variabilität der I-Wellen untersucht. Im Anschluss konnten wir anhand vorläufiger Ergebnisse zeigen, dass eine I- Wellen adaptierte rTMS (sog. iqTBS) einen signifikanten Unterschied gegenüber einer Stimulation mit festen Latenzen zeigt. Der Effekt der iqTBS auf ein motorisches Lernparadigma ist derzeit Gegenstand weiterer Experimente. Die Ergebnisse könnten zu einem verbesserten Verständnis der Rollen der I-Wellen an kortikalen Lernmechanismen beim Menschen beitragen und den therapeutischen Einsatz der TMS durch eine individuell angepasste Stimulation verbessern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Transcranial magnetic stimulation devices for biphasic and polyphasic ultra-high frequency protocols. Biology, Engineering and Medicine, 3(1).
  N. Gattinger; N.H. Jung; V. Mall & B. Gleich
  
• Individualisierte hochfrequente I-Wellen adaptierte quadri-pulse theta burst stimulation. Symposium DGKN 2020.
  Jung, N., Gleich, B., Brich, L., Heidsieck, A., Gattinger, N., Siebner, H. & Mall, V.
  
• Intra-individual variability of I- wave peaks – preliminary results. Posterpräsentation DGKN 2020.
  Brich, L., Gleich, B., Schaff, F., Mall, V. & Jung, N.
  
• Intra-individuelle Variabilität der I-Wellen-Latenzen am menschlichen primär-motorischen Kortex – vorläufige Ergebnisse. GNP 2020.
  Brich, L., Gleich, B., Schaff, F., Mall, V. & Jung, N.
  
• Individualized I- waves adapted TMS – preliminary results. Posterpräsentation DGKN 2021.
  Brich, L., Schaff, F., Gleich, B., Heidsieck, A., Mall, V. & Jung, N.
  
• Variabilität intrakortikaler Oszillationen am menschlichen Kortex und deren mögliche Bedeutung für eine individuelle nicht-invasive Hirnstimulation. Kongressvortrag GNP 2021.
  Brich, L., Gleich, B., Schaff, F., Heidsieck, A., Sandurkov, B., Mall, V. & Jung, N.
  
• Individualisierte quadri-theta-burst-Stimulation zur Induktion synaptischer Plastizität beim Menschen – vorläufige Ergebnisse. Posterpräsentation GNP & Neurowoche 2022.
  Brich, L., Gleich, B., Schaff, F., Heidsieck, A., Sandurkov, B. & Mall, V.
  
• Plasticity induction in humans by individualized quadri theta burst stimulation – preliminary results. Posterpräsentation DGKN 2022.
  Brich, L. Gleich, B., Schaff, F., Heidsieck, A., Sandurkov, B., Mall, V. & Jung, N.
  
• Bidirectional changes in corticospinal excitability following quadri-pulse theta burst stimulation with individually (I-wave) adapted and fixed interstimulus intervals – preliminary results. Posterpräsentation DGKN 2023.
  Brich, L., Schaff, F., Gleich, B., Gattinger, N., Sautter, K., Heidsieck, A., Sandurkov, B., Mall, V. & Jung, N.
  
• Changes in Cortico-Spinal Excitability by Individualized Quadri-Theta-Burst Stimulation. Posterpräsentation Brain Stimulation 2023.
  Schaff, F., Brich, L., Sautter, K., Heidsieck, A., Sandurkov, B., Gleich, B., Mall & V. & Jung, N.
  
• PLUSPULS: A transcranial magnetic stimulator with extended pulse protocols. HardwareX, 13, e00380.
  Staat, Christoph; Gattinger, Norbert & Gleich, Bernhard