Validierung und Optimierung von personalisierten Stromflussberechnungen über einen weiten Altersbereich durch in-vivo Magnetresonanzmessungen der induzierten Stromdichte

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

Computersimulationen sind ein wichtiges Werkzeug, um die durch transkranielle Elektrostimulation induzierte Stromverteilung im Gehirn zu bestimmen und zu optimieren. Simulationen ermöglichen zudem personalisierte Stimulationsansätze, welche die Effekte von unterschiedlichen Kopf- und Gehirnanatomien auf den Stromfluss berücksichtigen. Sie sind deshalb ein integraler Bestandteil des Forschungsansatzes dieser Forschergruppe (FG). Simulationen liefern jedoch lediglich Abschätzungen des tatsächlichen Stromflusses, basierend auf potentiell unpräzisen Informationen über Kopfanatomie und Gewebeleitfähigkeiten. Die Validierung ihrer Genauigkeit ist deshalb sehr wichtig, um sicherzustellen, dass Zusammenhänge zwischen (simulierter) Stromverteilung und den physiologischen Stimulationseffekten zuverlässig ermittelt werden können. Sowohl theoretische Analysen als auch Kontrollmessungen mittels invasiver Elektroden während der Operationsvorbereitung bei ausgewählten Patienten zeigen jedoch große interindividuelle Unterschiede bei der Simulationsgenauigkeit.In Projekt 10 (P10) der FG werden wir erstmals Magnetresonanz-basierte Stromdichte-Bildgebung (MRCDI – MR current density imaging) in einer großen Probandengruppe anwenden, um die eingesetzten Stromflusssimulationen systematisch und nicht-invasiv zu validieren. Das Projekt baut auf unser aktuellen, umfangreichen Forschung zu MR Aufnahmeverfahren, optimierter Stimulationsausrüstung und Analyseverfahren auf, welche nun einen breiten Einsatz von MRCDI Messungen in Menschen ermöglichen. In P10 werden wir zunächst für alle in der FG verwendeten Stimulationsziele MRCDI Daten von 40 Probanden erheben. Die Daten werden in einem neuen Bayesschen Analyseansatz verwendet, um die Gewebeleitfähigkeiten der personalisierten Kopfmodelle systematisch zu optimieren. Der Bayessche Ansatz erlaubt dabei systematische Rückschlüsse, welche der Gewebeleitfähigkeiten von der MRCDI-basierten Optimierung profitieren. Im nächsten Schritt werden wir den Analyseansatz erweiterten, um Kopfmodelle mit unterschiedlichen anatomischen Feinheitsgraden zu vergleichen und den Einfluss ausgewählter anatomischer Parameter (Schädeldicke, Liquorvolumen) und demografischer Daten (Alter, Geschlecht) auf die Simulationsgenauigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse werden uns erlauben, die in der FG verwendeten Stromflussberechnungen zu verbessern und damit die Genauigkeit der in den übrigen Projekten der FG durchgeführten Analysen zu erhöhen. Wir werden die verbesserten Methoden zudem frei verfügbar machen.Schlussendlich werden wir die MRCDI Aufnahmeverfahren stark vereinfachen, welche momentan spezielle Fachkenntnisse benötigen. Dies wird MRCDI auf den allgemeinen Einsatz in allen Projekten der FG während der möglichen weiteren Förderperiode vorbereiten. Änderungen der Schädelzusammensetzung und Gehirnanatomie im hohen Alter lassen dabei eine Überprüfung der Simulationsgenauigkeit der Stromflussberechnungen via MRCDI besonders relevant erscheinen.

• 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