Untersuchung der kross-kortikalen Implementierung räumlich-numerischer Assoziationen mittels transkranialer Gleichstromstimulation und Nahinfrarotspektroskopie

• Antragsteller: Dr. Philipp Schroeder
• Fachliche Zuordnung: Biologische Psychologie und Kognitive Neurowissenschaften ; Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418004780

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Frontoparietale Netzwerke sind generell bei der numerischen Kognition beteiligt und speziell bei der Aktivierung räumlich-numerischer Assoziationen. Eine Modulierbarkeit zahlenbezogener kognitiver Effekte durch transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) über verschiedenen kortikalen Regionen kann geteilte und verteilte neurokognitive Netzwerke kausal darlegen. Vorherige Neuromodulationsstudien mit kathodaler tDCS waren theoretisch spezifisch für den linken präfrontalen Kortex bei der Modulation räumlich-numerischer Assoziationen, allerdings war die regionale Spezifität bisher nicht empirisch belegt. Daher untersuchte das vorliegende Projekt unterschiedliche Elektrodenkonfigurationen systematisch und variierte dabei sowohl Ziel- als auch Return-Elektroden. In WP1 wurden die kausalen Beteiligungen verschiedener Stimulationsorte systematisch in einer Größenvergleichsaufgabe untersucht, die sowohl numerische Distanzeffekte (NDE) als auch räumlich-numerische Assoziationen (SNARC Effekt) misst und gegen die späte Antwortinhibition abgrenzt (Kontrollaufgabe). In WP2 wurden kortikale hemodynamische Aktivierungen durch Nah- Infrarot-Spektroskopie (NIRS) in parietalen Regionen während der präfrontalen Stimulation gemessen, um kross-kortikale Netzwerkeffekte der tDCS zu belegen. Die Ergebnisse sollten die neurokognitiven Prozesse der Zahlenverarbeitung im frontoparietalen Netzwerk belegen, numerische und numerisch-räumliche Prozesse dabei unterscheiden und die fundamentalen Prinzipien der kathodalen tDCS bei der numerischen Kognition weiter beleuchten. In WP1 wurden insgesamt sechs unilaterale, zwei hochauflösende „high-definition“ und eine bipolare Elektrodenkonfigurationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen studienübergreifend die Relevanz des induzierten elektrischen Feldes auf. So wurden teilweise divergente Ergebnisse bei der Neuromodulation der gleichen Zielregion mit einer abweichenden Elektrodenkonfiguration beobachtet. Weiterhin wurden zeitabhängige Effekte bei der Modulation der Antwortinhibition dahingehend beobachtet, dass eine initial erfolgreiche Modulation mittels tDCS bereits nach wenigen Durchgängen wieder korrigiert wurde. In WP2 konnten wir die parietale Signatur räumlich-numerischer Assoziationen im oxygenierten Hämoglobin replizieren, erstmalig im deoxygenierten Hämoglobin ebenfalls nachweisen und weiterhin eine Modulation der neuralen Aktivierung im parietalen Kortex über präfrontale tDCS nachweisen. Insgesamt demonstrieren die Ergebnisse ein kross-kortikales, frontoparietales Netzwerk als neurale Implementierung des SNARC Effekts; technische Limitationen der kathodalen tDCS sollten in zukünftiger Forschung berücksichtigt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Regional specificity of cathodal transcranial direct current stimulation (tDCS) effects on spatial‐numerical associations: Comparison of four stimulation sites. Journal of Neuroscience Research, 98(4), 655-667.
  Schroeder, Philipp A.; Artemenko, Christina; Cipora, Krzysztof & Svaldi, Jennifer
  
• Meta-analysis of the effects of transcranial direct current stimulation on inhibitory control. Brain Stimulation, 13(5), 1159-1167.
  Schroeder, Philipp A.; Schwippel, Tobias; Wolz, Ines & Svaldi, Jennifer
  
• More focal, less heterogeneous? Multi-level meta-analysis of cathodal high-definition transcranial direct current stimulation effects on language and cognition. Journal of Neural Transmission, 129(7), 861-878.
  Ostrowski, Jan; Svaldi, Jennifer & Schroeder, Philipp A.
  
• Spotlight on the Left Frontal Cortex: No Evidence for Response Inhibition from Cathodal High-Definition transcranial Direct Current Stimulation over Left Inferior Frontal Gyrus or Left Dorsolateral Prefrontal Cortex. Journal of Cognitive Neuroscience, 34(6), 1090-1102.
  Schroeder, Philipp A.; Seewald, Anna & Svaldi, Jennifer
  
• High‐definition turns timing‐dependent: Different behavioural consequences during and following cathodal high‐definition transcranial direct current stimulation (HD tDCS) in a magnitude classification task. European Journal of Neuroscience, 59(11), 2967-2978.
  Schroeder, Philipp A.; Nuerk, Hans‐Christoph & Svaldi, Jennifer
  
• Regional specificity of cathodal transcranial direct current stimulation effects on spatial–numerical associations: Comparison of four stimulation sites. Journal of Neuroscience Research, 102(2).
  Farshad, Maryam; Artemenko, Christina; Cipora, Krzysztof; Svaldi, Jennifer & Schroeder, Philipp A.