Optimierung fokaler Hirnstimulation mit Hilfe individualisierter Feldsimulationen: Untersuchung von Effekten über verschiedene Hirnregionen und funktionelle Domänen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Daria Antonenko; Professor Dr.-Ing. Axel Thielscher, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467143400

Moderne biophysikalische Modellierungsansätze erlauben die Schätzung der durch Hirnstimulation im menschlichen Gehirn induzierten elektrischen Felder. Auf Magnet-Resonanz (MR) Bildgebung basierende Kopfmodelle ermöglichen hierbei individuelle Simulationen des Stromflusses. Bisherige Studien berichteten jedoch hohe interindividuelle Variabilität in der Stärke und Verteilung elektrischer Felder im Gehirn, welche mit variablen Effekten der Hirnstimulation in Verbindung gebracht wurde. Die Variabilität der Stimulationseffekte könnte nach neueren Erkenntnissen zumindest teilweise auf funktionellen und mikrostrukturellen Eigenschaften der stimulierten Hirnareale beruhen. Bisher ist jedoch der prädiktive Wert individualisierter Feldsimulationen zur Vorhersage von Effekten auf Verhalten und neurophysiologische Parameter und deren Variabilität nur unzureichend erforscht. Ansätze zur Optimierung der Stromflussverteilung in Gehirn befinden sich im Entwicklungsprozess. So sind Dosis-Wirkungs-Zusammenhänge, potentielle Unterschiede zwischen kortikalen Hirnarealen, funktionellen Domänen und Veränderungen über die Lebensspannen bisher nur rudimentär untersucht. Diesen Fragen wird das vorliegende Projekt (P9) erstmals im Rahmen des koordinierten und optimierten Stimulationsansatzes der Forschungsgruppe systematisch untersuchen. Projekt 9 der Forschungsgruppe wird im Kontext dieser Fragestellungen (A) eine Service-Funktion für die empirischen Projekte (P1-8) erfüllen, in dem es Methoden, die für reproduzierbare und personalisierte Stimulation notwendig sind, zur Verfügung stellt. Anhand der in P1-8 erhobenen strukturellen MR Bildern, wird ein individualisierter und fokaler Stimulationsansatz entwickelt, der optimierte und zwischen den Projekten einheitliche Stimulationsprotokolle ermöglicht. Darüber hinaus verfolgt P9 einen eigenen Hypothesen-geleiteten Forschungsansatz, um die interindividuelle Variabilität der Stimulationseffekten auf Verhalten und Hirnfunktionen in den empirischen Projekten zu untersuchen. (B.1) Dabei werden potentielle Domänen- und Aufgaben-spezifische Zusammenhänge der individuell induzierten Feldstärken mit behavioralen und neuronalen Stimulationseffekten erforscht. (B.2) Projekt-übergreifende Datenanalysen werden zusätzlich ermöglichen, die Konsistenz der beobachteten Zusammenhänge zwischen Projekten zu überprüfen. Langfristig wird das Projekt dazu beitragen, tDCS Interventionen systematisch zu planen und die Parameter der Stimulation individualisiert zu optimieren. Die prospektive zweite Förderperiode der Forschungsgruppe soll zusätzlich den Einfluss altersassoziierter Hirnveränderungen auf Stimulationseffekte und deren Mediatoren untersuchen. Die Ergebnisse des vorliegenden Projektes legen damit den Grundstein für individuell optimierte Stimulationsprotokolle über die menschliche Lebensspanne, mit dem übergeordneten Ziel, die das individuelle Ansprechen auf Hirnstimulation zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5429: Modulation neuronaler Netzwerke für Lernen und Gedächtnis durch transkranielle Gleichstromstimulation: Systematische Untersuchung über die menschliche Lebensspanne
• Internationaler Bezug: Dänemark