Hirnstimulation ohne störende Lichtblitze

Transkript

1 Hirnstimulation ohne störende Lichtblitze Annika Badorff Sarah Di Lascia Betreuer: Marc Bächinger, Sarah Keller, Dr. Kathy Ruddy, Prof. Dr. Nicole Wenderoth Institut: Labor für neurale Bewegungskontrolle, ETH Zürich Fragestellung: Zu Beginn haben wir uns mit dem Begriff der transkraniellen Elektrostimulation auseinandergesetzt. Uns wurden 3 verschiedene Methoden vorgestellt: tacs (transcranial alternating current stimulation), tdcs (transcranial direct current stimulation)und trns (transcranial random noise stimulation). Wir haben uns vorwiegend mit der tacs Methode befasst. Bei diesem Verfahren werden zwei Elektroden am Kopf platziert (Anode, Kathode). Diese sind an eine Spannungsquelle mit einer Stromstärke von ma angeschlossen. Im Gegensatz zu tdcs wird hier nicht mit einem Gleichstrom, sondern mit einem Wechselstrom gearbeitet. Entschlüsselt man die Ergebnisse eines EEG s, wird man ungefähr bei 12 Hz einen Ausschlag erkennen, es handelt sich hierbei um den -peak, welcher die charakteristische Ruhefrequenz im EEG angibt. Mit dem tacs können wir nun das Netzwerk von Zellen, welche diesen -peak erzeugen, so stimulieren, dass er verstärkt wird. Unser Problem ist aber, dass das tacs nicht nur mit dem -peak interagiert, sondern auch mit dem visuellen System. So ruft es ein Flickern (Phosphene) hervor, welches unsere Messungen beeinflusst und diese verfälschen könnte. Unsere Fragestellung ist daher: Gibt es eine Möglichkeit, im -Band zu stimulieren(8-20 Hz), ohne ein Flickern zu erzeugen? Versuchsaufbau : Der Proband setzt sich auf einen Stuhl vor eine schwarze Wand. Links und rechts von ihm sind zwei schwarze Stellwände aufgestellt. Der Durchführer des Experiments vermisst nun den Kopf des Probanden. Dafür wird das Messband einmal von der Nasenwurzel ( Nasion ), über den Kopf bis zum Inion gelegt. Der Wert wird halbiert und an der entsprechenden Stelle wird eine Markierung gesetzt. Danach wird die Messung wiederholt und zwar von Ohr zu Ohr. Auch dieser Wert wird halbiert, so dass man den höchsten Punkt des Kopfes erhält (Vertex). Hier wird dann später die erste Elektrode ( Referenzelektrode, blau) platziert. Die aktive Elektrode wird 4 cm über dem Inion platziert (Siehe Abbildung 2). Nun werden die Elektroden vorbereitet, indem der Durchführer des Experiments Elektrodengel aufträgt (Signa Gel von Parker). Um zu verhindern, dass die Elektroden sich verschieben, werden diese mit Hilfe eines selbstklebenden Verbandes am Kopf befestigt. Der DC Stimulator plus wird eingeschaltet und die Elektroden werden über zwei Kabel mit dem DC Stimulator plus (Neuroconn GmbH, Illmenau, Deutschland) verbunden. Der DC Stimulator plus ist via BNC-Kabel an einen Computer angeschlossen, auf dem Matlab installiert ist. Für die eigentliche Stimulation wird ein massgefertigtes Matlab-Script verwendet. Als nächstes wird die Impedanz geprüft. Dieser wurde für dieses Experiment unter 15 kohm gehalten. Jetzt kann das eigentliche Experiment beginnen: Wir stellen den DC Stimulator plus auf remote und bestätigen dies. Die Stimulation wird dann mit dem angeschlossenen Computer bzw. mit dem Matlab-Script gesteuert.

2 Es werden 6 verschieden Stimulationsparadigmen verglichen: Zum einen 10 Hz Sinuswelle, welche Phosphene erzeugen sollte. Sowie zwei Sinuswellen mit Frequenzen welche keine Phosphene erzeugen sollten (4 Hz und 30 Hz). Diese drei Bedingungen werden mit der neuen Methode verglichen, bei welcher die Stimulation mittels einer Trägerfrequenz appliziert wird (150 Hz), welche von einer 4, 10 oder 30 Hz Enveloppe eingehüllt sind (siehe Abbildung 2). In der Hoffnung, dass die Applikation mittels Trägerfrequenz keine Phosphene mehr auslöst. Abbildung 1: Platzierung der Elektroden an dem Probanden. Abbildung 2: Sinuswelle mit 10 Hz Enveloppe und Trägerfrequenz 150 Hz Das Experiment wird im Dunkeln durchgeführt. Ungefähr nach jedem zweiten Durchgang wird das Licht wieder angeschaltet, sodass sich die Augen des Probanden nicht an die Dunkelheit gewöhnen. Bei jedem der sechs Versuche starten wir jeweils mit 1 ma und fragen den Probanden, ob er Phosphene sieht. Der Proband wird dazu aufgefordert, mit Ja oder Nein zu antworten. Sofern er welche sieht, wird die Stromstärke nach unten variiert (Schrittgrösse: 0.1 ma). Sieht er keine Phosphene, so erhöhen wir die Stromstärke um 0.1 ma. Dies wird so lange wiederholt, bis acht Wechsel von Ja zu Nein oder von Nein zu Ja vollzogen wurden. Danach werden die letzten vier Werte gemittelt. Dies bestimmt den Schwellenwert (Wahrnehmungsschwelle der Phosphene). Die Reihenfolge der einzelnen Versuche wird zufällig bestimmt, damit der Proband das Experiment auf keine Art und Weise beeinflussen kann. Wir haben Experimente mit insgesamt 8 Teilnehmern durchgeführt, von denen wir einen ausschliessen mussten, da dieser bereits während des Kontrollexperiments mit 10 Hz keine Phosphene sehen konnte.

3 Stromstärke in ma Stromstärke in ma Datenanalyse: In unseren Versuchen haben wir bei jeder Stimulationsmethode so oft die Stromstärke variiert, bis wir 8 Mal einen Wechsel von Ja zu Nein oder von Nein zu Ja feststellen konnten. Wir variierten zufällig die Reihenfolge der sechs Stimulationsparadigmen, sodass die Werte nicht voneinander abhängig sein konnten oder sich gar beeinflussen konnten. Von den letzten vier Werten der Stromstärken haben wir jeweils den Mittelwert berechnet. Die Mittelwerte aller Probanden haben wir erneut gemittelt und in einer Grafik dargestellt. Dazu haben wir zwei verschiedene Arten von Diagrammen angefertigt, um die Resultate zu veranschaulichen. Zum einen ein Liniendiagramm (siehe Abbildung 3) und zum anderen ein Säulendiagramm (siehe Abbildung 4). In beiden sieht man wunderbar die Anhebung des Schwellenwerts durch die Trägerfrequenz 150 Hz. Am Ende haben wir noch die Standardabweichung berechnet, um die Streuung der Werte zu sehen. Resultate: 2.5 Mittelwert der Probanden Sinus 1 mit Trägerfreque nz 150 Hz Hz 10 Hz 30 Hz Stimulationsfrequenz in Hz Abbildung 3: Mittelwert der Probanden im Liniendiagramm Mittelwert der Probanden Sinus 10 Hz Stimulationsmethode mit Trägerfrequenz 150 Hz Abbildung 4: Mittelwert der Probanden im Säulendiagramm

4 Diskussion und Schlussfolgerung: Unser anfängliches Ziel, die Phosphene komplett zu eliminieren, ist zwar gescheitert, jedoch ergab sich aus diesen Versuchen, dass die Stimulation bei 10 Hz mit Trägerfrequenz 150 Hz den Schwellenwert deutlich heraufgesetzt hat. Das bedeutet, dass die Phosphene zwar nicht verschwunden sind, aber sie werden erst bei einer wesentlich höheren Stromstärke wahrgenommen. Dies ist zumindest ein Teilerfolg der ursprünglich verfolgten Absicht, denn man kann mit wesentlich höheren Stromstärken stimulieren, bis Phosphene als eventuell störender Effekt auftreten. In einem zweiten Schritt könnte man nun testen, ob die Stimulation mit Trägerfrequenz 150 Hz einer bestimmten Frequenz tatsächlich die gleichen Auswirkungen im Gehirn hat wie die ursprüngliche Stimulation ohne Trägerfrequenz 150 Hz. Zusätzlich ist uns während unseren Experimenten etwas Interessantes aufgefallen. Von den verschiedenen Stimulationsparadigmen, - zum einen 10 Hz Sinuswelle, welche Phosphene erzeugen sollte, sowie zwei Sinuswellen mit Frequenzen 4 Hz und 30 Hz, welche eigentlich nach der Studie Frequency-Dependent Electrical Stimulation of the Visual Cortex von Kanai et al (siehe Abbildung 5) keine Phosphene erzeugen sollten, hat die 30 Hz Frequenz trotzdem Phosphene aufgewiesen. Die Phosphene sind jedoch nicht beim fokussierten Geradeaussehen entstanden, sondern immer dann aufgetreten, wenn die Probanden geblinzelt haben oder ihre Augen bewegt haben. Diese neue Erkenntnis könnte man ebenfalls noch weiter verfolgen. Ebenfalls der weiteren Forschung bedarf die Frage, wie Phosphene überhaupt entstehen. Es ist nämlich noch nicht klar, ob man bei der tacs Nervenzellen der Retina stimuliert oder der visuelle Kortex betroffen ist. Abbildung 5: Vorkommnisse der Phosphene nach der Studie Frequency-Dependent Electrical Stimulation of the Visual Cortex von Kanai et al. 2008

5 Danksagung: Wir möchten uns ganz herzlich bei der Stiftung Schweizer Jugend forscht bedanken, dass sie uns diese Studienwoche überhaupt ermöglicht haben und dem Nachwuchs einen realen Einblick in die Forschung gewährt haben. Desweiteren wollen wir uns bei der ETH Zürich bedanken, dass sie uns die Labore bereitgestellt haben und uns an diesem interessanten Projekt haben teilhaben lassen. Ausserdem geht ein grosser Dank an Prof. Nici Wenderoth, die sich für diese Aktion von Jugend forscht eingesetzt hat und uns Marc Bächinger als Betreuer zugeteilt hat. Ihm gilt unser grösster Dank. Er stand uns während dieser Woche mit Rat und Tat beiseite und hat uns einen vielseitigen Einblick in seine Forschung gegeben. Als letztes möchten wir noch all unseren tapferen Probanden für ihr Vertrauen danken, welches sie uns entgegen gebracht haben. Referenzen: Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., & Paulus, W. (2008). Frequency-Dependent Electrical Stimulation of the Visual Cortex. Current Biology, 18(23)