Non-invasive brain stimulation: comparing two methods in two systems

Abstract

The effects of non-invasive brain stimulation (NIBS) techniques were introduced and explored best in the motor system, with most of the studies observing similar results. However, recent studies showed that there are differences in response to brain stimulation techniques even within the motor system. Therefore, it is not clear whether the NIBS-induced effects commonly observed in the motor system can be directly transferred to other cortical areas. This dissertation provides six studies with healthy human subjects, investigating the effects of two different NIBS techniques on two different cortical areas. In the first two studies, the effects of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS) on semantic processing were investigated. For this purpose, Wernicke’s area was stimulated, an area belonging to the temporal cortex of the left hemisphere. The NIBS-induced effects were investigated by measuring reaction times and error rates using a simple lexical decision task. Furthermore, in four additional studies the effects of rTMS and tDCS on visual cortex excitability were explored. Based on the results of a study published previously, in our first visual study the effects of rTMS on peripheral visual acuity were investigated. Since we were unable to replicate our own results, subsequently an experiment was conducted to identify possible reasons for these findings. We hypothesized that differences in visual cortex activity following stimulation might have led to the discrepancies. In two studies, this hypothesis was tested for rTMS and tDCS, respectively, allowing a direct comparison of the effects of both methods on visual cortex excitability. In our fourth study, it was finally shown that rTMS- induced effects depend on the coil type used. Furthermore, we identified an individual parameter possibly predicting the direction of the rTMS effect. The conducted studies clearly indicate that the effects of the investigated NIBS techniques cannot be generalized since in different cortical areas different effects were observed. Furthermore, high intra- and inter-subject variability in response to rTMS and tDCS were found within the same cortical area. For both cortical areas, the effects of both NIBS techniques were investigated using the same task and study design, respectively. Therefore, this dissertation allows up to now unprecedented comparisons of various NIBS techniques outside the motor system.

Die Auswirkungen nicht-invasiver Hirnstimulationsverfahren wurden bisher hauptsächlich im motorischen System untersucht. Hier zeigten sich in vielen verschiedenen Studien zunächst meist vergleichbare Effekte. In jüngeren Veröffentlichungen konnte jedoch mittlerweile gezeigt werden, dass es bereits innerhalb des motorischen Systems erhebliche individuelle Unterschiede in der Wirkungsweise der Stimulationsverfahren geben kann. Eine direkte Übertragbarkeit der Effekte vom Motorkortex auf andere Kortexareale scheint somit nicht trivial. Diese Arbeit vergleicht die Auswirkungen zweier Methoden der nichtinvasiven Hirnstimulation in zwei kortikalen Arealen in sechs Studien auf gesunde Probanden. In den ersten beiden Studien wurde die Wirkung von repetitiver transkranieller Magnetstimulation (rTMS) sowie transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) auf die Wortverarbeitung untersucht. Dazu wurde das Wernicke- Areal, ein Bereich des linken Temporalkortex, mit dem jeweiligen Hirnstimulationsverfahren behandelt und anschließend die Auswirkung der Stimulation auf Reaktionszeit und Fehlerrate in einer lexikalischen Entscheidungsaufgabe untersucht. In vier weiteren Studien wurde die Wirkung derselben Hirnstimulationsverfahren auf den visuellen Kortex untersucht. Die erste visuelle Studie untersuchte, basierend auf den Ergebnissen einer früheren Veröffentlichung einer anderen Arbeitsgruppe, die Wirkung von rTMS auf die periphere Sehschärfe. Aufgrund fehlender Replizierbarkeit der Ergebnisse wurde anschließend ein Experiment zur Untersuchung einer möglichen Abhängigkeit der Stimulationseffekte von der anschließenden Beanspruchung des visuellen Kortex konzipiert, um somit die unterschiedlichen Effekte erklären zu können. Zwei Studien ermöglichen hierbei den direkten Vergleich zwischen rTMS und tDCS. Eine vierte Studie am visuellen Kortex zeigte schließlich die Abhängigkeit der rTMS-Effekte vom verwendeten Spulentyp. Weiterhin wurde ein erster individueller Parameter identifiziert, anhand dessen sich möglicherweise die Richtung des rTMS Effektes künftig vorhersagen lässt. Die durchgeführten Studien zeigen deutlich, dass die Effekte der untersuchten Hirnstimulationsverfahren nicht generalisierbar sind, da in verschiedenen Kortexarealen unterschiedliche Auswirkungen beobachtet werden können. Zudem zeichnen sich gravierende intra- und interindividuelle Unterschiede in der Reaktion auf die Stimulationen bereits innerhalb eines kortikalen Areals ab. Die in beiden kortikalen Arealen mögliche direkte Vergleichbarkeit beider Methoden durch die Verwendung derselben Aufgaben und nahezu identischer Studiendesigns ist bisher einzigartig für Studien außerhalb des motorischen Systems.