Effekte anodaler tdcs auf die zeit- und schlafabhängige Konsolidierung motorischer Fähigkeiten

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1 ! Aus der Klinik für Neurologie und Neurophysiologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Effekte anodaler tdcs auf die zeit- und schlafabhängige Konsolidierung motorischer Fähigkeiten Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Medizinischen Doktorgrades der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br. Vorgelegt 2014 von Jan Torben Fischer geboren in Dortmund

2 Dekanin: Prof. Dr. Kerstin Krieglstein 1. Gutachter: Prof. Dr. med. Cornelius Weiller 2. Gutachter: PD Dr. med. Christoph Nissen Jahr der Promotion: 2015

3 Meinen Eltern gewidmet

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Ablauf des motorischen Lernprozesses und die Beteiligung von M Einfluss der Faktoren Zeit und Schlaf auf die Konsolidierung Effekte transkranieller Gleichstromstimulation auf die Erregbarkeit des Gehirns Transkranielle Gleichstromstimulation und motorisches Lernen Fragestellung Hypothesen Material und Methoden Probandenkollektiv Feinmotorische Aufgabe Ermittlung der motorischen Fähigkeit Stimulationsmethode Gruppeneinteilung Studienablauf Kontrollexperiment Berechnung der Subkomponenten des motorischen Lernens Erhebung demographischer Daten und Sicherheitsaspekte der verwendeten Stimulationsmethoden Verarbeitung der Messdaten und deren statistische Analyse Ergebnisse Demographische Daten Gesamtlernerfolg über 3 Übungstage Lernen während der Übungseinheiten Einfluss der Zeit auf den Konsolidierungsprozess nach anodaler tdcs...34

5 4.5 Einfluss des Nachtschlafs auf den Konsolidierungsprozess nach anodaler tdcs Kontrollexperiment: anodale tdcs nach den Übungseinheiten Nebenwirkungen Diskussion Demographische Daten Physiologischer Verlauf der Konsolidierung des SVIPT Gesamtlernerfolg über 3 Übungstage Effekt anodaler tdcs auf das Lernen während der Übungseinheiten Einfluss der Zeit auf den Konsolidierungsprozess nach anodaler tdcs Einfluss des Nachtschlafs auf den Konsolidierungsprozess nach anodaler tdcs Kontrollexperiment: anodale tdcs nach den Übungseinheiten Mögliche Probleme Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung... 67

6 1. Einleitung Das motorische System ist für den Menschen von zentraler Bedeutung, da es die Interaktion mit seiner Umwelt ermöglicht. Um auf sich ändernden Umweltbedingungen reagieren zu können, unterliegt das motorische System einer fortlaufenden Plastizität. Diese Plastizität liegt dem motorischen Lernen zugrunde. Im Rahmen neurologischer Krankheitsbilder sind häufig die Funktionen des motorischen Systems und somit eine Vielzahl motorischer Fähigkeiten des Menschen beeinträchtigt. Während neurologischer Rehabilitationsmaßnahmen wird versucht, diese durch spezielle Übungen neu zu erlernen. Zur Optimierung der Behandlung ist ein Verständnis motorischer Lernprozesse und der zugrunde liegenden Mechanismen nebst der Identifizierung beteiligter Hirnareale von Interesse. Eine besondere Stellung nehmen nichtinvasive Hirnstimulationsverfahren wie die transkranielle Gleichstromstimulation und deren Einfluss auf motorische Lernprozesse ein, da sich hieraus Anwendungsmöglichkeiten in der Neurorehabilitation ergeben könnten. 1.1 Ablauf des motorischen Lernprozesses und die Beteiligung von M1 Das motorische Lernen ist ein Prozess, welcher zu einer präziseren und schnelleren Ausführung von Bewegungen führt (Willingham 1998). Essentieller Bestandteil des Lernprozesses ist die Konsolidierung der beim Erlernen neuer Bewegungsabläufe entstandenen Gedächtnisinhalte, welche in Verbindung mit wiederholter Übung zu einer langfristigen Speicherung des Erlernten, genannt Langzeitretention führt (Ungerleider et al. 2002; Luft, Buitrago 2005; Dayan, Cohen 2011). Im Laufe des Lernprozesses werden nacheinander die Phasen schneller und langsamer Leistungszuwächse durchlaufen (Karni et al. 1995; Ungerleider et al. 2002). 1

7 Abb. 1: Der motorische Lernprozess Je mehr Zeit mit der Übung eines Bewegungsablaufs verbracht wird, desto besser wird dieser ausgeführt und es kommt zu einem Zuwachs an motorischer Fähigkeit. Der Verlauf dieser Zunahme ist nicht linear. Zu Beginn des Übens kommt es zu einer Phase rascher Fortschritte, welche später infolge wiederholten Übens durch eine Periode langsamerer Fortschritte abgelöst wird. Durch wiederholtes Üben wird letztendlich eine Langzeitretention des Geübten erreicht. Mithilfe bildgebender Verfahren konnte eine Beteiligung des primären Motorkortex (M1) an der schnellen Phase des motorischen Lernens nachgewiesen werden (Floyer-Leya, Matthews 2005). Im Tierversuch konnte zudem gezeigt werden, dass im primären Motorkortex während einer motorischen Übung eine Steigerung der Effizienz synaptischer Übertragungen in Form einer Langzeitpotenzierung (LTP) stattfindet (Rioult-Pedotti et al. 2000). Auch im primären Motorkortex des Menschen konnten mithilfe transkranieller Magnetstimulation LTP-ähnliche Mechanismen während einer motorischen Übung nachgewiesen werden (Rosenkranz et al. 2007), die einer Sättigung innerhalb einer Übungseinheit unterliegen. Daher wird momentan davon ausgegangen, dass die schnelle Phase des motorischen Lernens unter anderem auf LTP-ähnlichen Mechanismen innerhalb des primären Motorkortex beruht (Dayan, Cohen 2011). 2

8 Für den Übergang von der schnellen zur langsamen Phase des Lernens ist die Konsolidierung des neu Erlernten notwendig. Diese findet jeweils im Anschluss an eine Übungseinheit statt und führt zu einer Steigerung der motorischen Fähigkeiten über das in der vorangehenden Übungseinheit erreichte Niveau hinaus. Zudem erfolgt eine Stabilisierung des neu Erlernten, um einer Verdrängung durch andere motorische Lerninhalte, genannt Interferenz, entgegenzuwirken (Ungerleider et al. 2002; Walker et al. 2003; Walker, Stickgold 2004; Robertson, Pascual-Leone, Miall 2004; Luft, Buitrago 2005; Dayan, Cohen 2011). Man geht davon aus, dass der primäre Motorkortex an der Konsolidierung motorischer Lerninhalte beteiligt ist, da die Erzeugung einer virtuellen Läsion per repetitiver transkranieller Magnetstimulation (TMS) nach dem Erlernen eines Bewegungsablaufs dazu führt, dass keine Konsolidierung stattfindet (Muellbacher et al. 2002). Die Stimulation des primären Motorkortex per anodaler transkranieller Gleichstromstimulation (tdcs) während motorischer Übungseinheiten führt zu einer verbesserten Konsolidierung im Anschluss an die Übungseinheiten (Reis et al. 2009), was ebenfalls für eine Beteiligung des primären Motorkortex an der Konsolidierung spricht. Auch an der Phase langsamer Fortschritte ist der primäre Motorkortex beteiligt. Unter Verwendung funktioneller Magnetresonanztomographie wurde während dieser Phase eine gesteigerte Aktivierung dessen nachgewiesen (Floyer-Lea, Matthews 2005). Darüber hinaus verändert sich während dieser Phase die Repräsentation von Handmuskeln im primären Motorkortex in Abhängigkeit von der Muskelaktivität (Pascual-Leone et al. 1995). Wird der primäre Motorkortex kontralateral zur dominanten Hand über mehrere Übungseinheiten parallel zum Üben mit anodaler tdcs stimuliert, resultiert daraus eine verbesserte Konsolidierung und ein größerer Gesamtlernerfolg (Reis et al. 2009). Zusammenfassend betrachtet sprechen diese Ergebnisse für eine zentrale Rolle des primär motorischen Kortex nicht nur während der Ausführung von Bewegungen, sondern auch in der Ausbildung eines motorischen Gedächtnisses. Letztendlich führen wiederholtes Üben und der damit verbundene Konsolidierungsprozess zu einer Langzeitretention der Lerninhalte (Ungerleider 3

9 et al. 2002; Luft, Buitrago 2005; Dayan, Cohen 2011), die eine Konservierung und Abrufbarkeit des Erlernten auch nach Beendigung einer Übungseinheit möglich macht. Beim Menschen wurde unter Laborbedingungen die Langzeitretention einer motorischen Aufgabe bis zu einem Jahr, nachdem die Probanden das Üben beendet hatten, nachgewiesen (Romano et al. 2010). Für motorische Lerninhalte des alltäglichen Lebens ist eine deutlich ausgeprägtere Langzeitretention denkbar. 4

10 1.2 Einfluss der Faktoren Zeit und Schlaf auf die Konsolidierung Im Rahmen verschiedener Studien wurde der Einfluss der Faktoren Zeit und Schlaf auf die Konsolidierung motorischer Aufgaben untersucht. Von Walker und Stickgold (2004) wurde postuliert, dass sich das Gehirn als Voraussetzung für die unterschiedlichen Komponenten der Konsolidierung in einem bestimmten Aktivitätszustand befinden müsse. Bei diesen Aktivitätszuständen handele es sich zum einen um den Wachzustand, gleichzusetzen mit dem Faktor Zeit, und dem Schlaf, der sich wiederum aus den als REM- (englisch: rapid eye movements sleep) und NREM-Schlaf (englisch: non-rapid eye movements sleep) bezeichneten Schlafphasen zusammensetzt (Walker, Stickgold 2004; Barakat et al. 2011). Die aktuelle Studienlage liefert Hinweise darauf, dass der Einfluss dieser Faktoren auf die Konsolidierung von der Gestaltung der erlernten motorischen Aufgabe abhängt. Untersuchungen, welche explizite motorische Aufgabenstellungen, bei denen Probanden der Lerninhalt bewusst war, verwendeten, wiesen Konsolidierung im Zusammenhang mit Schlaf nach (Walker et al. 2002; Korman et al. 2003; Fischer et al. 2005; Debas et al. 2010). Im Gegensatz hierzu konnte für implizite Aufgabenstellungen, bei denen Probanden nicht bewusst war, was sie lernten, eine allein zeitabhängige Konsolidierung, ohne Einfluss des Schlafs, nachgewiesen werden (Robertson, Pascual-Leone, Press 2004; Song et al. 2007; Hotermans et al. 2008). Unter Verwendung von Aufgaben, welche die visomotorische Adaptation testen, konnte, ähnlich wie bei impliziten Aufgabenstellungen, ebenfalls eine zeitabhängige Konsolidierung gefunden werden (Criscimagna-Hemminger, Shadmehr 2008; Doyon et al. 2009; Debas et al. 2010). Darüber hinaus konnte ein Zeitraum von 6 Stunden nach Übungsende eingegrenzt werden, in dem der Konsolidierungsprozess stattfindet. Dies legen Interferenzstudien nahe, bei denen Probanden zunächst eine definierte Bewegungssequenz und in variablem Zeitabstand eine zweite, sich von der ersten Sequenz unterscheidende, erlernten. Dabei konnte 5

11 festgestellt werden, inwiefern die als Zweite erlernte Sequenz mit der Konsolidierung der zuerst gelernten interferierte. Je größer der zeitliche Abstand zwischen dem Erlernen der beiden Sequenzen gewählt wurde, desto geringer war die Interferenz. Nach 6 Stunden war keine Interferenz mehr nachweisbar, was für eine zeitabhängige Konsolidierung des erlernten Bewegungsablaufs spricht (Brashers-Krug et al. 1996; Krakauer et al. 2005; Krakauer, Shadmehr 2006). Der Ablauf der Konsolidierung kontinuierlich ausgeführter Bewegungsabläufe, welche ohne Unterbrechungen von Anfang bis Ende ausgeführt werden, ist im Gegensatz zur Konsolidierung sequentiell ablaufender Bewegungen, welche aus einzelnen Subkomponenten zusammengesetzt sind, unzureichend erforscht. Unter Verwendung einer Aufgabenstellung, welche das visuellräumliche Gedächtnis testet, konnte eine zeitabhängige Konsolidierung des Bewegungsablaufs nachgewiesen werden. Die Aufgabe bestand darin, ein sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegendes Ziel so genau wie möglich zu verfolgen. Es konnte eine zeitabhängige Konsolidierung nachgewiesen werden, da sich der Lernerfolg 12 Stunden nach Übungsende nicht unterschied, unabhängig davon ob die Probanden geschlafen oder die Zeit im Wachzustand verbracht hatten (Borich, Kimberley 2011). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie wurden unter Verwendung der bereits durch vorherige Veröffentlichungen beschriebenen sequential visual isometric pinch force task (SVIPT) (Camus et al. 2009; Reis et al. 2009; Fritsch et al. 2010) erhoben. Erlernen Probanden diese Aufgabe, ohne dass ihr Gehirn eine Stimulation erhält, scheint die den Übungseinheiten angeschlossene Konsolidierung zu einer Stabilisation des Erlernten gegen Interferenz zu führen, wobei zwischen den Übungseinheiten ein leichter Verlust des zuvor Erlernten zu verzeichnen ist. Dieses Phänomen wurde als Ausdruck des Aufwärmdekrements, der kurzzeitig verminderten motorischen Leistungsfähigkeit, welche im Anschluss an eine Übungspause auftritt, interpretiert (Reis et al. 2009). Das Aufwärmdekrement wurde bereits mehrfach für kontinuierlich auszuführende motorische Aufgaben beschrieben (Adams 1952; Catalano 1978; Anshel 1995; Etnyre, Poindexter 6

12 1995; Stratton et al. 2010). Prinzipiell sind zwei Ursachen des Phänomens denkbar. Zum einen könnte es sich um ein verändertes Zusammenspiel der an der Ausführung der erlernten Bewegung beteiligten Faktoren wie z.b. Aufmerksamkeit, visuelles System oder Gleichgewichtssinn handeln, welche jedoch nicht unmittelbar mit dem motorischen Gedächtnis oder Lerninhalt verknüpft sind und deren Funktion somit auch keine Rückschlüsse auf den Lernerfolg zulässt. Zum anderen ist ein Verlust des Erlernten und somit ein direkter Zusammenhang mit dem motorischen Gedächtnis denkbar (Adams 1961; Nacson, Schmidt 1971; Schmidt, Lee 2005; Stratton et al. 2010). Die verschiedenen Komponenten des motorischen Systems stimmen sich schneller neu aufeinander ab, als eine Stabilisierung motorischer Lerninhalte im motorischen Gedächtnis benötigt und es sind nur wenige Wiederholungen einer Bewegung notwendig, um den Leistungsstand zu erreichen, welcher vor einer Übungspause vorlag (Schmidt, Lee 2005; Stratton et al. 2010). Zudem kann es beim Erlernen kontinuierlicher Bewegungsabläufe zu einem großen Aufwärmdekrement kommen. Beim Erlernen selbiger kommt es aber dennoch zur einer Ausbildung eines langfristig beständigen motorischen Gedächtnisses. Somit wird derzeit davon ausgegangen, dass der erstgenannte Mechanismus für das Aufwärmdekrement ursächlich ist (Adams 1952, 1961; Schmidt, Lee 2005; Stratton et al. 2010). 1.3 Effekte transkranieller Gleichstromstimulation auf die Erregbarkeit des Gehirns Neben Untersuchungen, die sich mit dem Ablauf motorischer Lernprozesse im Normalzustand des Gehirns befassen, wird seit einigen Jahren der Einfluss der tdcs auf das motorische Lernen erforscht. Die tdcs ist eine nichtinvasive Stimulationsmethode, die eine Veränderung der Erregbarkeit von Neuronen herbeiführt (Nitsche, Paulus 2000; Nitsche et al. 2008). Es existiert sowohl ein anodaler als auch ein kathodaler Stimulationsmodus, wobei die über dem zu stimulierenden Hirnareal befindliche Elektrode den Stimulationsmodus 7

13 bestimmt. Befindet sich die Anode, also die positiv geladene Elektrode, über dem zu stimulierenden Hirnareal, spricht man somit von anodaler Stimulation. Befindet sich hingegen die negativ geladene Elektrode, genannt Kathode, über einem zu stimulierenden Hirnareal, handelt es sich um eine kathodale Stimulation. An der Anode herrscht ein Elektronenmangel, sodass ein Ladungsunterschied zwischen Anode und Kathode besteht und der Stromfluss von der Kathode zur Anode erfolgt. Die zwischen den Elektroden befindlichen Hirnareale und die dazugehörigen Neurone werden einem elektrischen Feld ausgesetzt, was letztendlich zu einer Veränderung der Erregbarkeit führt. Im anodalen Stimulationsmodus wird die Erregbarkeit des unter der Elektrode befindlichen Hirnareals gesteigert, im kathodalen wird sie erniedrigt (Nitsche, Paulus 2000). In Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen tdcs und motorischem Lernen wird bevorzugt der primäre Motorkortex stimuliert. Daher werden im Folgenden nur die Mechanismen beschrieben, die zu einer veränderten Erregbarkeit im primären Motorkortex führen. Ferner wird vorrangig auf die Modifizierung der Erregbarkeit durch anodale tdcs eingegangen. Durch anodale tdcs herbeigeführte Veränderungen können parallel zur Stimulation und im Anschluss an diese auftreten. Im folgenden Abschnitt werden anhand von Tierversuchen und Humanexperimenten gewonnene Hinweise auf die neuronalen Mechanismen, welche zu den durch tdcs beim Menschen ausgelösten Effekten führen, zusammengefasst. Dabei handelt es sich um theoretische Konstrukte, da die aus Humanexperimenten gewonnenen Erkenntnisse auf indirekten Untersuchungsmethoden beruhen und ein direkter Rückschluss von Ergebnissen, die im Rahmen eines Tierversuchs entstanden sind, auf neuronale Mechanismen im humanen Kortex nicht zwangsläufig möglich ist. Die Modifikation der Erregbarkeit während der Stimulation geschieht über eine Veränderung des Membranpotentials. Eine anodale Stimulation führt während der Stimulation zu einer Annäherung des Membranpotentials an das Schwellenpotential (Bindman, Lippold 1964; Landau et al. 1964; Purpura, 8

14 McMurtry 1965). Durch eine Annäherung des Membranpotentials an das Schwellenpotential steigt die Rate, mit der Aktionspotentiale in Neuronen entstehen (Bindman et al. 1962; Purpura, McMurtry 1965; Gorman 1966). Daher ist es unter anodaler tdcs wahrscheinlicher, dass im Neuron Aktionspotenziale entstehen (Nitsche et al. 2003). Durch kathodale tdcs entfernt sich das Membranpotential vom Schwellenpotential und dementsprechend wird die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines Aktionspotenzial gemindert (Bishop, O Leary 1950; Terzuolo, Bullock 1956; Bindman et al. 1962, Landau et al. 1964; Purpura, McMurtry 1965; Nitsche et al. 2003). Nach Ende einer Stimulation mit anodaler tdcs konnte im Humanexperiment eine prolongierte Veränderung der Erregbarkeit festgestellt werden. Nach einer 13-minütigen Stimulation mit anodaler tdcs über dem primären Motorkortex bleibt die Erregbarkeit bis zu 90 Minuten nach Stimulationsende erhöht (Nitsche, Paulus 2001). Darüber hinaus führt eine zweizeitige anodale Stimulation, bei der die zweite Stimulationsperiode in die Phase erhöhter Erregbarkeit, die durch die erste Stimulation induziert wurde, fällt, zu einer signifikanten Verlängerung der Phase erhöhter Erregbarkeit nach Ende der Stimulation (Monte-Silva et al. 2012). Die prolongierte Erregbarkeitssteigerung nach anodaler tdcs wird auf eine veränderte Aktivität von Interneuronen des stimulierten Hirnareals und damit verbundene veränderte synaptische Plastizität zurückgeführt. Im Tierexperiment konnte nachgewiesen werden, dass die Anwendung anodaler DCS auf Zellen des primären Motorkortex von Mäusen, synchron zu einer niederfrequenten Stimulation zur synaptischen Aktivierung, zu einer LTP der synaptischen Übertragung zwischen den stimulierten Zellen, messbar als Zunahme der Amplitude postsynaptischer Potenziale, führt. Dieser Effekt ist durch eine Aktivierung glutamatbindender NMDA-Rezeptoren bedingt und hängt von der Ausschüttung des neurotrophen Wachstumsfaktors BDNF (englisch: brain derived neurotrophic factor) mit konsekutiver Aktivierung der Rezeptor- 9

15 Tyrosinkinase B (TrkB) ab (Fritsch et al. 2010). NMDA-Rezeptoren sind Calciumkanäle, die sich nach Bindung des erregenden Neurotransmitters Glutamat öffnen, was einen Calciumeinstrom in die Zelle zur Folge hat (MacDermott et al. 1986). Dieser ist wiederum für die Ausschüttung von BDNF notwendig (Balkowiec, Katz 2002), welcher an den TrkB bindet und diesen aktiviert (Soppet et al. 1991). Nachfolgend werden zahlreiche zelluläre Signaltransduktionskaskaden in Gang gesetzt, welche unter anderem an der Ausbildung der LTP beteiligt sind (Huang, Reichardt 2001). Passend zu den oben erwähnten humanexperimentellen Daten kam es auch nach Stimulationsende zu einer weiteren Potenzierung der synaptischen Übertragung. Dies spricht dafür, dass während der Stimulation mittels DCS zelluläre Prozesse in Gang gesetzt werden, welche das Stimulationsende überdauern (Fritsch et al. 2010). 10

16 1.4 Transkranielle Gleichstromstimulation und motorisches Lernen Im Rahmen vorangehender Studien wurde anodale tdcs genutzt, um verschiedene Formen motorischen Lernens positiv zu beeinflussen (Reis et al. 2009, Galea et al. 2011, Kantak et al. 2012), was zu einer auch langfristig verbesserten Speicherung motorischer Lerninhalte führen kann (Reis et al. 2009). Reis et al. konnten zeigen, dass eine Applikation anodaler tdcs über insgesamt 5 Übungstage, jeweils während der motorischen Übungseinheiten, zu einem verbesserten Gesamtlernerfolg führt. Dieser war durch eine Stärkung des sich an die Übungseinheiten anschließenden Konsolidierungsprozesses bedingt. Probanden, welche eine anodale Stimulation erhalten hatten, führten eine motorische Aufgabe am nächsten Übungstag besser aus als am Ende des vergangenen Übungstages. Probanden, die lediglich eine Scheinstimulation erhielten, führten die motorische Aufgabe am Folgetag schlechter aus als zuvor. Es blieb jedoch unklar, wie der Konsolidierungsprozess nach Erlernen des SVIPT zwischen zwei Übungseinheiten abläuft und wie anodale tdcs mit diesem interagiert, da der Verlauf des Lernprozesses zwischen zwei Übungseinheiten mittels zeitlich versetzter Nachuntersuchungen während dieser Zeitspanne nicht untersucht wurde. Abb. 2: Lernen unter anodaler tdcs und Scheinstimulation Während der Übungseinheiten (Online) lernen anodal stimulierte Probanden (graue Balken) und Scheinstimulierte Probanden (weiße Balken) gleich. In der Zeit nach einer Übungseinheit (Offline) und insgesamt (Total) lernen anodal stimulierte Probanden signifikant besser. Sum of differences = Änderung der motorischen Fähigkeit über mehrere Übungstage (Reis et al. 2009) 11

17 1.5 Fragestellung Anhand der vorangehenden Schilderungen wird deutlich, dass Untersuchungen zur Interaktion nichtinvasiver Hirnstimulationsmethoden mit dem physiologischen Konsolidierungsprozess motorischer Lerninhalte zu einem tieferen Verständnis desselben führen. Aus den von Reis et al. (2009) erhobenen Studienergebnissen ergeben sich folgende Fragestellungen, welche die Grundlage der vorliegenden Studie bilden: 1. Wie läuft der physiologische Konsolidierungsprozess des SVIPT ab? 2. Welche Verbindung besteht zwischen dem unter anodaler tdcs veränderten Konsolidierungsprozess und den Faktoren Schlaf und Zeit? 3. Ist eine Anwendung anodaler tdcs zeitgleich mit motorischen Übungseinheiten notwendig, um einen Effekt auf die Konsolidierung zu erreichen? 2. Hypothesen Vorangegangene Studien haben eine zeitabhängige Konsolidierung visumotorischer Aufgaben nachweisen können. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde angenommen, dass auch die Konsolidierung des SVIPT zeitabhängig erfolgt. Darüber hinaus wurde bereits hinreichend belegt, dass nach einer Stimulation mittels anodaler tdcs die Erregbarkeit des stimulierten Hirnareals auch über das Stimulationsende hinaus erhöht bleibt (Nitsche, Paulus 2001). Des Weiteren kam es in vitro nur unter der synchronen Anwendung anodaler tdcs und niederfrequenter Stimulation auf Neurone des Motorkortex von Mäusen zu einer Induktion von LTP an Synapsen der stimulierten Neurone. Daher wurde angenommen, dass zu einer motorischen Übung parallel applizierte anodale 12

18 tdcs zu einer zeitabhängigen Stärkung des Konsolidierungsprozesses führt und Schlaf hierauf keinen Einfluss hat. 3. Material und Methoden 3.1 Probandenkollektiv 115 gesunde Probanden zwischen 18 und 53 Jahren führten eine sequentielle feinmotorische Aufgabe entweder unter anodaler tdcs oder unter Placebostimulation aus. Alle Probanden waren frei von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen sowie Schlafstörungen und nahmen keine Drogen oder Alkohol im Zeitraum der Teilnahme an der Studie ein. Die Probanden nahmen erstmals an einer tdcs-studie teil und kannten die verwendete Aufgabenstellung noch nicht. Die Studie wurde von der Ethikkommission der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg genehmigt und wurde nach den Standards der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Alle Probanden gaben ihr schriftliches Einverständnis zur Durchführung der Studie und wurden eingehend über mögliche Risiken der Stimulationsmethoden aufgeklärt. Die Studie erstreckte sich über 5 Termine pro Proband innerhalb von 28 Tagen. Davon beinhalteten 3 Termine die motorischen Übungseinheiten an 3 aufeinanderfolgenden Tagen und 2 Termine waren für Nachuntersuchungen an Tag 8 und 28 vorgesehen. 13

19 3.2 Feinmotorische Aufgabe Abbildung 3 zeigt die verwendete SVIPT Diese wurde mit dem Programm Labview entworfen und den Probanden auf einem Computerbildschirm präsentiert. Die Probanden saßen in einem Bürostuhl ca. 60 cm vom auf Augenhöhe befindlichen Bildschirm entfernt. Abb. 3: Schematische Darstellung der feinmotorischen Aufgabe SVIPT (A) sowie einer während der Ausführung aufgezeichneten Kraftmodulationskurve (B) Die Kraftmodulationskurve zeigt die Veränderung der vom Probanden auf den Kraftüberträger ausgeübten Kraft während dieser den Cursor, beginnend vom Startpunkt (home), in die Zielzonen (1-4) und auf den Haltepunkt (5) steuert. Die grauen Markierungen entsprechen den zum Treffen der Zielzonen bzw. des Haltepunktes vom Probanden aufzuwendenden Kräften (Reis et al. 2009). 14

20 Ziel war es, mit einem kleinen schwarzen Quadrat, hier bezeichnet als Cursor, in einer nummerierten Reihenfolge 4 Zielzonen (Target Gate) und einen Haltepunkt anzusteuern. Der Cursor wurde mit dem in Abb. 3A abgebildeten Kraftüberträger gesteuert. Dieser wurde von den Probanden in der dominanten Hand zwischen dem Daumen und der lateralen Seite des Zeigefingers gehalten. Kraftausübung bewegte den Cursor auf dem Bildschirm nach rechts, durch Kraftentlastung bewegte sich der Cursor wieder zurück nach links. Die Umsetzung des Kraftaufwands in eine Cursorbewegung erfolgte logarithmisch, wobei die rechtsseitige Endposition des Cursors ca % der willkürlichen Maximalkraft entsprach. Die Probanden wurden instruiert, die Zielzonen von einem Startpunkt aus (entsprechend einer entspannten Fingerposition), hier als Home bezeichnet, so schnell und genau wie möglich mit dem Cursor in einer nummerierten und über alle Wiederholungen konstanten Reihenfolge zu treffen. Jede Zielzone bestand aus einem grauen Bereich, welcher von zwei farbigen Balken begrenzt wurde. Der Stoppunkt wurde durch einen farbigen Balken markiert. Die Zielzonen waren mit den Zahlen 1-4, der Stoppunkt mit der Zahl 5 gekennzeichnet. Nach dem Ansteuern einer Zielzone war der Cursor durch Entlastung des Kraftüberträgers zum Startpunkt zurückzubewegen. Die Tore waren auf dem Bildschirm vom Startpunkt aus von links nach rechts in der Reihenfolge angeordnet. Diese Anordnung blieb über alle Übungstage und Nachuntersuchungen sowie für alle Probanden gleich. Eine Zielzone wurde als getroffen gewertet, wenn der Cursor in den grauen Bereich zwischen den Balken bewegt wurde, ohne von diesen verdeckt zu werden. Beim Über- bzw. Unterschreiten des grauen Zielbereichs galten Zielzonen als nicht getroffen und es wurde als Fehler gezählt. Eine Korrektur durch nochmaliges Ansteuern eines zuvor überschrittenen Zielbereichs war nicht möglich, ein Unterschreiten konnte durch stärkere Kraftausübung korrigiert werden. Das Über- oder Unterschreiten des Stoppunkts hingegen wurde nicht als Fehler gewertet, da dadurch ausschliesslich die Bewegungszeit limitiert wurde, nicht jedoch die Präzision. Die korrekte Cursorposition am Haltepunkt wurde den Probanden durch einen Farbumschlag des Balkens signalisiert. In dieser Position musste der Cursor bis zum Aufleuchten eines Stoppsignals 15

21 gehalten werden (500 ms). Nach Erhalt des Stoppsignals war der Kraftüberträger wieder zu entlasten. Die Probanden erhielten vor jeder Wiederholung nach Freigabe durch den Untersucher ein visuelles Startsignal. Die Freigabe einer Wiederholung erfolgte erst bei ausreichender Entlastung des Kraftüberträgers, sodass sich der Cursor im Startbereich befand. Vor jeder Freigabe wurde vom Untersucher die ausreichende Druckentlastung anhand einer Messanzeige geprüft. Den Probanden wurden kontinuierlich visuelle Informationen über die aktuelle Cursorposition präsentiert. Vom Untersucher erhielten sie keinerlei wertende Informationen zur Durchführung der motorischen Aufgabe. 16

22 3.3 Ermittlung der motorischen Fähigkeit Während jeder Wiederholung der motorischen Aufgabe wurde eine Kraftmodulationskurve, wie in Abb. 3B dargestellt, aufgezeichnet. Diese zeigt die zu jedem Zeitpunkt einer Wiederholung vom Probanden aufgewendete Kraft in Pfund. Die Aufzeichnung startete mit dem Startsignal und endete, nachdem die Probanden den Cursor über die vorgeschriebene Zeit auf dem Haltepunkt hielten. Die Kraftmodulationskurven wurden mithilfe eines am PC angeschlossenen Analog-Digital-Umwandlers sowie dem Programm Labview 7 (National Instruments Corporation, Austin TX, USA) in Rohform aufgezeichnet. Die Rohdaten wurden zur Auswertung in ein mit Matlab 7.1 (Math Works, Natic, MA, USA) geschriebenes Programm eingelesen. Ziel der Auswertung war die Erhebung folgender Parameter: 1. Der Bewegungszeit, welche mit der ersten Druckausübung auf den Kraftüberträger begann und mit der ersten Berührung des Haltepunkts 5 endete. 2. Der Fehlerrate pro Wiederholung. Hierzu wurden die Fehler durch Über- bzw. Unterschreiten der Zielzonen 1-4 pro Wiederholung addiert. Anhand dieser Parameter wurde für jeden Probanden ein motorischer Fähigkeitsindex a berechnet. Dieser gibt u.a. Auskunft über den individuellen Übungsfortschritt. Der Index wurde anhand folgender Formel berechnet (Reis et al. 2009): a = 1 - Fehlerrate / Fehlerrate (ln(bewegungszeit) ) Die verwendete Formel basiert auf der speed-accuracy-tradeoff-function (SAF, Abb 4) der verwendeten motorische Aufgabe. 17

23 Diese stellt den Zusammenhang zwischen der Fehlerrate und der benötigten Bewegungszeit graphisch dar. Hierbei wird deutlich, dass die Funktion bei zunehmender Geschwindigkeit und abnehmender Fehlerrate verschoben wird, jedoch nur wenn eine höhere Geschwindigkeit nicht mit einer erhöhten Fehlerrate verbunden ist oder umgekehrt. Abb 4 : SAF Es sind SAFs für verschiedene Fähigkeitsindices dargestellt. Der Verlauf wird durch die Fehlerrate (Error rate) und Bewegungszeit (Movement time) bestimmt (Reis et al. 2009). Diese Verschiebung repräsentiert die Zunahme an motorischer Fähigkeit, in diesem Falle eine Verbesserung des Fähigkeitsindex durch Üben. Bei Betrachtung der SAF wird deutlich, dass eine Abnahme der Fehlerrate bei gleichzeitiger Zunahme der benötigten Bewegungszeit keine Verbesserung der motorischen Fähigkeit darstellt. Bei Verwendung nur eines der beiden Parameter zur Bewertung der motorischen Fähigkeit könnte fälschlicherweise ein motorischer Fortschritt der Testpersonen angenommen werden, da z.b. eine erniedrigte Fehlerrate durch eine verlängerte Bewegungszeit kompensiert werden könnte (Reis et al. 2009). 18

24 3.4 Stimulationsmethode tdcs ist eine nichtinvasive, neuromodulatorische Stimulationsmethode zur Beeinflussung der Erregbarkeit des Gehirns unter Verwendung von Gleichstrom. Zur Stimulation wird ein Stimulationsgerät mit zwei angeschlossenen Elektroden benötigt. Die Elektroden wurden zur Verbesserung der Compliance mit kochsalzgetränkten Schwämmchen bedeckt, und dann an der Kopfhaut des Probanden befestigt. Abb 5: Schematische Darstellung der Elektrodenposition bei Rechtshändern (Reis et al. 2009) In dieser Studie wurde anodal stimuliert und die Anode über dem primär motorischen Kortex kontralateral zur trainierenden Hand positioniert. Die Kathode befand sich supraorbital auf der zur Anode kontralateral gelegenen Schädelhälfte. Zur Stimulation wurde ein Phoresor 2 Auto (Modell PM850, Firma Iomed, Salt Lake City, Utah, USA) mit zwei 25 cm 2 großen Elektroden verwendet. Die Stromdichte betrug 0,04mA/cm 2 bei einer Gesamtladung von 0,048C/cm 2 und einer Stromstärke von 1mA/25cm 2. Stimuliert wurde für 20 min während der Übungen. Bei allen Probanden wurde der Gleichstrom bis zum Erreichen der Zielstromstärke über 30 sec. langsam gesteigert. Bei stimulierten Probanden wurde im Anschluss sofort mit dem Üben begonnen. Bei placebostimulierten Probanden wurde zunächst der Stimulationsstrom wieder schrittweise auf das Nullniveau abgesenkt. Dieses Prozedere garantiert eine zuverlässige Verblindung der Probanden für die Art der Stimulation (Gandiga et al. 2006). In beiden Szenarien wurden die Schwammelektroden parallel zum Üben und während der gesamten Stimulationsdauer auf dem Schädel belassen. Die individuelle Lage des primär motorischen Kortex wurde per überschwelliger TMS im Einzelpulsmodus durch Ableitung motorisch evozierter 19

25 Potentiale (MEP) des Musculus interosseus dorsalis I bestimmt. Zur TMS wurden ein Magnetstimulator der Firma Magstim (Magstim 200) und eine achtförmigen Spule, deren Handgriff in einem Winkel von 45 zur Sutura saggitalis nach hinten zeigend gehalten wurde, verwendet. Die Position des Handareals wurde durch Variation der Spulenposition um die vermutete Position bei jedem Probanden vor Beginn der Stimulation bestimmt. Der Ort, an dem bei gleichbleibender Stimulationsstärke ein MEP von ca. 1 mv ausgelöst werden konnte, wurde als Position des Handareals mit einem wasserfesten Stift auf der Kopfhaut gekennzeichnet. Die Registrierung der MEP erfolgte über ein EMG-Gerät der Firma Nicolet (Viking 4). Zum Auslösen der Testpulse und Aufzeichnung der MEP diente das auf einem Messrechner installierte Programm Signal in der Version 4 (Fa. Cambridge Electronic Design). Alle drei Komponenten wurden über einen D/A-Konverter (Micro 1401; Fa. Cambridge Electronic Design) miteinander verbunden. 20

26 3.5 Gruppeneinteilung Von 115 Probanden wurden 100 in insgesamt 6 Untergruppen aufgeteilt, welche durch 2 Faktoren bestimmt wurden (Abb. 6). Einerseits unterschieden sich die Gruppen im verwendeten Stimulationsmodus (Scheinstimulation vs. anodale tdcs), andererseits wurden die Probanden an den Übungstagen in unterschiedlich langen Intervallen nach Stimulationsende nachuntersucht (15 Minuten / 3 Stunden / 6 Stunden). Die Zuordnung der Probanden zu den einzelnen Untergruppen erfolgte randomisiert und so, dass homogene Gruppen entstanden. Abb. 6: Gruppeneinteilung 21

27 3.6 Studienablauf Die Studie erstreckte sich über insgesamt 3 Übungstage und 2 Nachuntersuchungen. An den Übungstagen erschienen die Probanden morgens im Labor. Zunächst führten die Probanden 10 Wiederholungen der motorischen Aufgabe mit ihrer nicht dominanten und 40 Wiederholungen mit der dominanten Hand, zunächst ohne anodale Stimulation oder Scheinstimulation, aus. Auf eine Stimulation während dieser Blöcke wurde bewusst verzichtet, um die Messung des Lerneffektes zwischen den Übungstagen nicht durch einen Stimulationseinfluss zu verfälschen. Hierauf folgte die Fixierung der Stimulationselektroden in der unter 3.4 beschriebenen Position. Es folgten 4 Übungsblöcke à 30 Wiederholungen unter anodaler Stimulation oder Scheinstimulation, welche mit der dominanten Hand durchgeführt wurden. Jeder Übungsblock dauerte ca. vier Minuten und auf jeden Block folgte eine 90 Sekunden dauernde Pause um einer Ermüdung der Probanden entgegenzuwirken. Nach 15 Minuten, 3 oder 6 Stunden, je nach Gruppenzugehörigkeit, folgte eine Nachuntersuchung zur zeitlichen Auflösung des motorischen Lernens unter tdcs. Diese bestanden aus 40 Wiederholungen mit der dominanten und 10 Wiederholungen mit der nicht dominanten Hand. Aus planungstechnischen Gründen wurde mit den Probanden gemeinsam festgelegt, zu welchem der drei Zeitpunkte sie zur Nachuntersuchung erschienen. Die Pausenintervalle wurden auf Basis der bereits beschriebenen prolongierten Erregbarkeitssteigerung nach anodaler tdcs gewählt (Nitsche, Paulus 2000). Um eine erhöhte Erregbarkeit des primär motorischen Kortex während der Nachuntersuchungen und einen damit verbundenen falsch positiv gemessenen Übungseffekt auszuschließen, wurden für zwei Gruppen Zeitintervalle gewählt, welche die maximal gemessene Dauer der Erregbarkeitssteigerung von 90 Minuten nach Stimulationsende sicher überschritten. Zur Untersuchung eines möglichen Einflusses der tdcs auf die Langzeitretention neu erlernter visuomotorischer Aufgaben wurden bei allen 22

28 Probanden eine Woche und 4 Wochen nach Übungsbeginn Nachuntersuchungen durchgeführt. Diese bestanden aus 40 Wiederholungen mit der dominanten und 10 Wiederholungen mit der nicht dominanten Hand. Abb. 7: Studienablauf Jeder Übungstag bestand aus einer Übungseinheit mit 5 Übungsblöcken und einer Nachuntersuchung, bestehend aus einem Wiederholungsblock. Diese erfolgte in unterschiedlichen Zeitabständen zum Übungsende. 23

29 3.7 Kontrollexperiment Um herauszufinden, ob auch nach Übungsende applizierte anodale tdcs einen positiven Einfluss auf die Konsolidierung hat, oder ob hierfür eine Applikation parallel zum Üben notwendig ist, führten wir ein Kontrollexperiment durch. Hierzu bildete ein Teil der Probanden eine siebte Untergruppe. Diese wurden nach Ablauf einer 15-minütigen Pause im Anschluss an die Übungseinheiten, welche ohne Stimulation absolviert wurden, nachuntersucht und unmittelbar nach Abschluss der Nachuntersuchung für 20 Minuten über dem primären Motorkortex kontralateral zur trainierenden Hand mit anodaler tdcs stimuliert. Die Verhaltensdaten dieser Probanden wurden mit den Daten der Probanden verglichen, die parallel zu den Übungseinheiten anodale tdcs erhielten und nach 15 Minuten nachuntersucht wurden. 3.8 Berechnung der Subkomponenten des motorischen Lernens Wie bereits oben beschrieben wurde, fanden in unterschiedlichen Intervallen Nachuntersuchungen statt, um eine zeitliche Auflösung des motorischen Lernens zu erhalten. So konnten wir die Änderung der motorischen Fähigkeit während der Übungseinheiten, des Pausenintervalls und über Nacht in Verbindung mit dem Nachtschlaf beurteilen. Um den während einer Übung erreichten Lernerfolg erfassen zu können, wurden zunächst die von Probanden vor Beginn der Übungseinheiten (Tag1 Block1, Tag2 Block1 und Tag3 Block1) sowie im letzten Block einer Übungseinheit (Tag1 Block5, Tag2 Block5 und Tag3 Block5) erzielten Fähigkeitsindices berechnet. Das Lernen während der Übungen wurde als Summe der Lernerfolge aller Übungseinheiten definiert ((Tag1 Block5 - Tag1 Block1) + (Tag2 Block5 - Tag2 Block1) + (Tag3 Block5 - Tag3 Block1)). Um den Lernprozess während des Pausenintervalls beurteilen zu können, berechneten wir die Differenz der an Tag 1,2 und 3 mit der dominanten Hand im Rahmen der Nachuntersuchung und im letzten Block der Übungen erreichten Fähigkeitsindices und addierten diese ((Tag1 Block6 - Tag1 Block5) + (Tag2 Block6 - Tag2 Block5) + (Tag3 Block6 - Tag3 Block 5)). Der 24

30 Lernprozess in Verbindung mit dem Nachtschlaf wurde dementsprechend als Differenz des bei den Nachuntersuchungen an Tag 1 und 2 und im Rahmen des ersten mit der dominanten Hand durchgeführten Blocks an Tag 2 und 3 definiert ((Tag2 Block1 - Tag1 Block6) + (Tag3 Block1 - Tag2 Block6)). Um den Gesamtlernerfolg zu berechnen, wurden zunächst der von den Probanden vor Beginn des Übens an Übungstag 1 und bei der Nachuntersuchung an Übungstag 3 erreichte Fähigkeitsindex berechnet (Tag1 Block1 und Tag3 Block6) Die Differenz beider Indices beschreibt den Gesamtlernerfolg der Probanden (Tag3 Block6 - Tag1 Block1). 3.9 Erhebung demographischer Daten und Sicherheitsaspekte der verwendeten Stimulationsmethoden Alle Probanden wurden vor Übungsbeginn auf die körperliche sowie altersmäßige Eignung zur Studienteilnahme im Rahmen einer kurzen Anamnese und neurologischen Untersuchung überprüft. Unter anderem wurde nach Risikofaktoren für das Auftreten unerwünschter Wirkungen der verwendeten Stimulationmethoden anhand eines Fragebogens zur Risikoabschätzung transkranieller Magnetstimulation gesucht (englisch: Transcranial magnetic stimulation Adult Safety Screen; Keel et al. 2000), welcher um tdcs-spezifische Sicherheitsfragen ergänzt wurde. Ferner wurden die Probanden über mögliche Nebenwirkungen der Stimulationsmethoden aufgeklärt. Die Aufmerksamkeit und die Vigilanz der Probanden wurde anhand einer visuellen Analogskala bei jedem Erscheinen im Labor eruiert. Außerdem wurde zu Beginn eines jeden Übungstages sowie der Nachuntersuchungen die nächtliche Schlafdauer erfragt. Da eine Nichtbeachtung der Lateralität möglicherweise einen entscheidenden Einfluss auf das Testergebnis hätte, wurde bei allen Probanden anhand des Edinburgh Handedness Inventory (Oldfield et al. 1971) der Lateralitätsquotient ermittelt. Dieser Fragebogen enthält 10 alltägliche Tätigkeiten. Für jede dieser 25

31 Tätigkeiten ist anzugeben welche Hand verwendet wird. Aus allen Antworten wird am Ende der Lateralitätsquotient errechnet. Ein errechneter Lateralitätsquotient unterhalb von -40 spricht für eine Linkshändigkeit der Testperson, von zwischen -40 und +40 für eine Beidhändigkeit und ein Quotient über +40 für eine Rechtshändigkeit. Es wurden nur Rechtshänder in die Studie eingeschlossen. Ferner füllten alle Probanden zur Erkennung einer möglicherweise vorhandenen depressiven Erkrankung den Beck Depressionsinventar aus (Beck et al. 1996). Der Fragebogen besteht aus 23 Fragen. Diese nehmen Bezug auf typische Symptome einer depressiven Erkrankung. Bei jeder Frage hat der Ausfüllende die Möglichkeit unter vier verschiedenen Antwortmöglichkeiten zu wählen. Diese Antworten beschreiben unterschiedliche Schweregrade depressiver Symptome. Die Antwortmöglichkeiten sind mit Punktwerten von 0 bis 3 versehen, wobei 0 für ein nicht vorhandenes, 3 hingegen für die Maximalausprägung eines Symptoms steht. Die Punktwerte aller Antworten werden zu einem Gesamtwert addiert. Die maximal erreichbare Punktzahl beträgt 63. Ein Punktwert von 0 bis 8 steht für keine, von 9 bis 13 für eine minimale, von 14 bis 19 für eine milde, von 20 bis 28 für eine mittlere und von 29 bis 63 für eine starke Depression. Um einen möglichen Effekt der tdcs auf die Stimmungslage von Probanden zu erfassen, füllten diese an Tag 1 und Tag 8 den Fragebogen zu negativen und positiven Affekten (englisch: Positive and Negative Affect Schedule, Abkürzung PANAS; Watson et al. 1988, deutsche Übersetzung Krohne et al. 1996) jeweils für einen zurückliegenden Zeitraum von 7 Tagen aus. Dieser Fragebogen dient der Einschätzung des emotionalen Zustands einer Testperson. Hierzu hat die Testperson die Möglichkeit anzugeben, in welcher Intensität 10 vorgegebene positive bzw. negative Affekte bei ihr vorliegen. Je nach Intensität erhalten die Probanden einen Punktwert von 1 bis 5 Punkten pro Auswahlmöglichkeit. Ein hoher Punktwert im Bereich der positiven Affekte steht für eine emotionale Ausgeglichenheit der Testperson. Wird hingegen ein hoher Punktwert bei den 26

32 negativen Affekten erreicht, ist dies mit einer Häufung negativer Emotionen bei der Testperson gleichzusetzen Verarbeitung der Messdaten und deren statistische Analyse Zunächst wurden die bei der Ausführung der motorischen Aufgabe generierten Rohdaten mittels eines unter Matlab erstellten Auswertungswerkzeugs (ForceDataViewer, erstellt durch Ethan Buch, unter anderem verwendet in Reis et al. 2009) analysiert, um Fehlerrate und die pro Versuch benötigte Zeit zu berechnen und hieraus die Maßzahl für die motorische Fähigkeit zu generieren. Die Auswertung erfolgte halbautomatisch und die auswertende Person wusste lediglich, in welcher Zeitspanne die Probanden nachuntersucht wurden. Der Stimulationsmodus blieb verborgen. Die motorischen Fähigkeiten der einzelnen Gruppen vor Übungsbeginn (Tag1 Block1) wurden anhand einer einfachen Varianzanalyse miteinander verglichen. Es erschien unwahrscheinlich, dass die unterschiedlichen Zeitintervalle bis zur Nachuntersuchung einen Einfluss auf das Lernen während der Übungen oder auf das Gesamtlernen haben. Daher wurde zum statistischen Vergleich des Lernens während der Übungseinheiten und des Gesamtlernerfolgs der Gruppen die Veränderung der motorischen Fähigkeit als abhängige Variable und die Stimulationsmethode (Scheinstimulation oder anodale Stimulation) als einzelne unabhängige Variable festgelegt. Im Anschluss erfolgten nach Gruppen aufgeteilte post-hoc Tests, sodass nur Probanden verglichen wurden, welche zum selben Zeitpunkt nachuntersucht wurden (15 min., 3h und 6h). Da durch die unterschiedlichen Zeitintervalle bis zur Nachuntersuchung auch das Zeitintervall zwischen Nachuntersuchung und nächster Übungseinheit uneinheitlich war, wurde das zeit- und schlafabhängige Lernen von anodal stimulierten und scheinstimulierten Probanden, die im selben Zeitintervall nachuntersucht wurden, per Varianzanalyse verglichen. Hierbei wurde die Änderung der motorischen Fähigkeit als abhängige und der Stimulationsmodus als unabhängige Variable definiert. Sofern signifikante Unterschiede bestanden, wurde eine post-hoc-analyse mittels paarweisem t-test durchgeführt. Die 27

33 demographischen Parameter (Lateralität, Alter, durchschnittliche Schlafdauer) wurden per einfacher Varianzanalyse mit dem Faktor Gruppe miteinander verglichen. Zur Analyse der Geschlechterverteilung wurde der Kruskal-Wallis- Test für unverbundene Stichproben verwendet. Die Parameter Schlafdauer, Vigilanz und positiver bzw. negativer PANAS-Wert wurden mittels einer Varianzanalyse für Messwiederholungen mit den Faktoren Gruppe und Zeit bewertet. Hierbei wurden die Schlafdauer und die mentale Fitness an jedem Traingstag einzeln und die Änderung der PANAS-Werte über alle Traingstage miteinander verglichen Bei allen statistischen Tests wurde das Signifikanzniveau auf p<0,05 festgelegt. 28

34 4. Ergebnisse 4.1 Demographische Daten An der Studie nahmen insgesamt 115 Probanden teil. Kontraindikationen zur Verwendung der nichtinvasiven Hirnstimulationsmethoden und somit zur Teilnahme an der Studie lagen bei keinem Probanden vor. Ein Proband brach die Teilnahme vorzeitig nach dem ersten Übungstag aufgrund von Kopfschmerzen nach TMS/tDCS ab. Drei Probanden wurden am ersten Übungstag von der Studie ausgeschlossen, da sie die Regeln zur Durchführung der motorischen Aufgabe nicht befolgten. Somit nahmen 111 Probanden vollständig an der Studie teil, davon 61 Frauen. Das Durchschnittsalter der Gruppen lag bei 28,5 ± 0,7 Jahren und unterschied sich nicht signifikant voneinander (p=0,979). Alle Probanden waren Rechtshänder (durchschnittlicher Lateralitätsquotient 94,0 ± 1). Die einfaktorielle Varianzanalyse ergab keinen signifikanten Unterschied für die Variablen Alter, Händigkeit sowie durchschnittliche Schlafdauer (Tab. 1). Anhand des Kruskal-Wallis-Tests ergab sich kein signifikanter Unterschied der Geschlechterverteilung (Tab. 1). Eine Varianzanalyse für Messwiederholungen zeigte einen signifikanten Effekt des Faktors Zeit auf den negativen PANAS-Wert (p=0,001). Nach dem Üben wiesen die Probanden einen niedrigeren Wert auf, welches mit einer besseren Stimmungslage gleichzusetzen ist. Es konnte jedoch weder ein signifikanter Einfluss des Faktors Gruppe auf den negativen PANAS-Wert, noch der Gruppe/ Zeit-Interaktion auf den Wert gefunden werden. Ebenfalls nicht signifikant war der Einfluss der Zeit, Gruppe sowie Gruppe/Zeit-Interaktion auf die Vigilanz der Probanden und den positiven PANAS-Wert (Tab. 1). Eine einfaktorielle Varianzanalyse ergab zwischen den Gruppen keinen signifikanten Unterschied des motorischen Fähigkeitsindex zu Beginn der Übungen (p=0,932, Tab. 1). Somit liegen für Gruppenvergleiche der Stimulations- und Übungseffekte optimale Grundvoraussetzungen vor. 29

35 Schei n 15min Anodal 15min Schein 3h Anodal 3h Schein 6h Anodal 6h Anodal nachhe r Probandenzahl p (Gruppe) Alter (Jahre) 27,2 ± 2 27,1 ± 1 29,2 ± 2 28,1 ± 2 30,5 ± 3 28,4 ± 3 29,6± 2 0,829 Geschlecht (m:w) 9:8 7:10 7:10 7:10 7:9 7:9 5:6 0,994 Händigkeit 93,5 ± (Lateralitätsquoti ent) 3 94,4 ±3 93,2 ± 93,2 ± ,3 ± 3 97,5 ± 2 n.v. 0,624 Schlafdauer (Std.) 7,2 7,2 7,1 7, ,3 7,2 0,948 motorischer Fähigkeitsindex vor Übungsbeginn -1,6-1,7-1,8-1,8-1,8-1,9-1,6 0,932 Tab. 1: Demographische Daten Die Daten sind Mittelwerte aller Probanden einer Gruppe, beim Alter und dem Lateralitätsquotienten ist zusätzlich der Standardfehler angegeben. Der motorische Fähigkeitsindex ist eine dimensionslose Zahl, welcher anhand des durch Reis et al entwickelten mathematischen Modells berechnet wurde und in Material und Methoden erklärt ist. PANAS + Prä PANAS + Post PANAS Prä S 15m A 15m S 3h A 3h S 6h A 6h A nach p (Zeit) p (Gruppe) p (Interakt.) PANAS Post S c h l a f p r ä Tag 1 S c h l a f p r ä Tag S c h l a f p r ä Tag 3 Vigilanz Tag Vigilanz Tag Vigilanz Tag Tab. 2 Psychophysische Parameter Es sind jeweils die Mittelwerte aller Probanden einer Gruppe angegeben. A = anodale Stimulation, S = Scheinstimulation, A nach = Stimulation nach den Übungen, Prä = vor den Übungseinheiten, Post = nach den Übungseinheiten 30

36 4.2 Gesamtlernerfolg über 3 Übungstage Alle Probanden zeigten im Rahmen der dreitägigen Übungen eine Zunahme der motorischen Fähigkeit. Betrachtet man den Gesamtlernerfolg aller stimulierten im Vergleich zu den scheinstimulierten Probanden, so zeigen stimulierte Probanden einen signifikant größeren Gesamtlernerfolg als scheinstimulierte (einfaktorielle ANOVA, Faktor Stimulationsmodus: p<0,0001). Auch ein nach Nachuntersuchungsintervallen getrennter Vergleich ergab einen signifikant größeren Gesamtlernerfolg stimulierter Probanden (15min: p=0,046; 3h: p=0,009; 6h: p=0,008; siehe auch Abb. 8B, D und F). Nachfolgend sind die Lernkurven der einzelnen Gruppen dargestellt, um den Lernverlauf über 3 Übungstage zu veranschaulichen. Zur besseren Übersicht sind sowohl die Pausenintervalle bis zur jeweiligen Nachuntersuchung als auch die Nächte zwischen den Übungstagen hervorgehoben. Neben jeder Lernkurve befindet sich ein Balkendiagramm, welches die Veränderung des motorischen Fähigkeitsindex während der Übungen, des Pausenintervalls und in Verbindung mit dem Nachtschlaf sowie den Gesamtlernerfolg getrennt darstellt. 31