Verbesserung episodischer Gedächtnisfunktionen bei älteren Erwachsenen durch Modulation oszillierender Aktivität in fronto-posterioren Netzwerken mittels transkranieller Wechselstromstimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Oszillatorische Gehirnaktivität im Theta-Frequenzbereich spielt eine zentrale Rolle für episo-dische Gedächtnisprozesse. Altersbedingte Veränderungen in der frontalen Theta-Aktivität sowie in der fronto-posterioren Phasensynchronizität wurden mit kognitiven Defiziten bei älteren Erwachsenen in Verbindung gebracht. Studien an jungen Erwachsenen zeigen, dass trans-kranielle Wechselstromstimulation (tACS) eine vielversprechende Methode darstellt um die Theta-Phasensynchronizität zwischen frontalen und parietalen Hirnregionen zu modulieren und kognitive Leistungen zu verbessern. Dies eröffnet die Möglichkeit, tACS zur Modulation altersbedingter Veränderungen in der oszillatorischen Hirnaktivität und zur Verbesserung kog-nitiver Funktionen im Alter einzusetzen. Ziel dieses Projekts war es, das Potenzial von tACS zur Modulation oszillatorischer Gehirnaktivität und die daraus resultierende Verbesserung episodischer Gedächtnisprozesse bei älteren Erwachsenen zu untersuchen. Zunächst wurden elektrophysiologische Korrelate sequentieller Gedächtnisprozesse bei jungen und älteren Erwachsenen verglichen, um altersabhängige Unterschiede und Determinanten erfolgreicher Leistungen zu identifizieren. Mithilfe von Magnetresonanztomographie (MRT) wurden die funk-tionellen neuronalen Netzwerke, die episodischen Gedächtnisfunktionen zugrunde liegen, charakterisiert. In anschließenden experimentellen Studien haben wir die Effekte der Applikation fronto-posteriorer tACS auf episodische Gedächtnisleistung und Theta-Oszillationen bei jungen und älteren Erwachsenen untersucht. Strukturelle MRT-Daten ermöglichten die Simulation individueller Stromverteilungen im Gehirn, um Dosis-Wirkungs-Beziehungen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse liefern Einblicke in die neuronalen Grundlagen des altersbedingten Gedächtnisabbaus. Auf elektrophysiologischer Ebene spielen dabei insbesondere die Unterschiede in Theta- und Gamma-Oszillationen während der Enkodierung eine wichtige Rolle. Auf der Ebene der neuronalen Netzwerke deuten die Befunde darauf hin, dass die Konnektivität zwischen dem posterioren Hippocampus und anderen zentralen Hirnstrukturen des sog. "Default Mode"-Netzwerks, möglicherweise kompensatorische Mechanismen darstel-len. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass theta-tACS über fronto-posterioren Hirnstrukturen die Theta-Oszillationen im Hippocampus in Abhängigkeit zur Gedächtnisleistung modulieren, sowie episodischer Gedächtnisfunktionen bei älteren Erwachsenen verbessern kann. Die Simulation individueller elektrischer Felder ergab, dass die induzierte Dosis von individuellen Faktoren wie Kopfvolumen, -umfang und altersbedingter Atrophie abhängt, was die Notwendigkeit individualisierter Stimulationsprotokolle unterstreicht. Insgesamt tragen die Ergebnisse zum Verständnis tACS-induzierter Effekte auf Gedächtnisfunktionen und deren zugrundeliegender Mechanismen im Altersprozess bei. Die gewonnenen Erkenntnisse werden die Entwicklung individualisierter Stimulationsprotokolle zur Verbesserung kognitiver Funktion voranbringen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Biophysical models of TES and TMS: accuracy, validation, and applications, Talk at the Non-invasive brain stimulation (NIBS) & DGKN conference, 10.-14.11.2020, Virtual Conference.
Antonenko D.
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Estimation of individually induced e-field strength during transcranial electric stimulation using the head circumference. Brain Stimulation, 14(5), 1055-1058.
Antonenko, Daria; Grittner, Ulrike; Puonti, Oula; Flöel, Agnes & Thielscher, Axel
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Inter-individual and age-dependent variability in simulated electric fields induced by conventional transcranial electrical stimulation. NeuroImage, 224, 117413.
Antonenko, Daria; Grittner, Ulrike; Saturnino, Guilherme; Nierhaus, Till; Thielscher, Axel & Flöel, Agnes
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„Individual differences in electric fields induced by transcranial electrical stimulation“, Talk at the Regional Meeting of the Federal European Neuroscience Society (FENS), 25.-27. August 2021, Virtual Conference.
Antonenko D.
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“Differential oscillatory processes associ-ated with successful sequence memory encoding in young and older adults”, Poster at the Psychologie und Gehirn, 16.-18. June 2022, Freiburg, Germany.
Ehrhardt N., Lucchese G., Flöel A. & Antonenko, D.
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“Targeting hippocampus-dependent memory in older adults with tACS-induced theta synchronization”, Poster at the Tagung experimentell arbeitender Psy-cholog:innen (TeaP), 21.-23. March 2022, Virtual Conference.
Ehrhardt N. & Antonenko D.
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„Brain stimulation and aging, spanning from basic physiology, over model-based adaptation of intervention protocols, to applications to improve performance“, Talk at the 32nd International Congress of Clinical Neurophysiology (ICCN), 4.-8. September 2022, Geneva, Switzerland.
Antonenko D.
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“Theta-gamma phase amplitude coupling during sequence memory encoding in healthy older adults”, Poster at the 30th Annual Meeting der Cognitive Neuroscience Society, 25.-28. March 2023, San Francisco, CA, USA.
Ehrhardt N. & Antonenko D.
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„Dose Response in Non-invasive Brain Stimulation: Exploring the Parameter Space“, Talk at the 5th International Brain Stimulation Conference, 18-22 February 2023, Lisbon, Portugal.
Antonenko D.
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Brain oscillatory processes related to sequence memory in healthy older adults. Neurobiology of Aging, 139, 64-72.
Ehrhardt, Nina M.; Flöel, Agnes; Li, Shu-Chen; Lucchese, Guglielmo & Antonenko, Daria
