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Nikotin gilt als die Abhängigkeit verursachende Komponente im Zigarettenrauch. Zudem hat Nikotin einen Einfluss auf die Ausbildung von lang anhaltenden kortikalen Erregbarkeitsveränderungen. Diese als neuroplastisch bezeichneten Veränderungen gelten als neurophysiologische Grundlage von Lern- und Gedächtnisprozessen. Die kognitiven Fähigkeiten sind bei Rauchern im Nikotinentzug reduziert und bessern sich erst nach Nikotingabe wieder. Auch Nichtraucher zeigen verbesserte kognitive Leistungen nach Nikotingabe. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, in welchem Maße nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren bei der Induktion von inhibitorischen kortikalen Erregbarkeitsveränderungen im menschlichen Gehirn eine Rolle spielen. Daher führten wir Versuche mit dem für diese Rezeptoren spezifischen Liganden Nikotin durch. Wir untersuchten den Einfluss von schnell anflutendem Nikotin in Form von Nasenspray und eines kontinuierlich hohen Nikotinspiegels in Form eines Nikotinpflasters auf inhibitorische kortikale Erregbarkeitsveränderungen bei Rauchern und Nichtrauchern. Für die Auslösung fokaler inhibitorischer Erregbarkeitsveränderungen verwendeten wir die gepaarte assoziative Stimulation (PAS). Mittels transkranieller Magnetstimulation wurden die kortikalen Exzitabilitätsveränderungen über die Änderung der MEP-Amplituden im Musculus abductor digiti minimi erfasst. Ohne Nikotin hatten sowohl Nichtraucher als auch Raucher die Fähigkeit zur Ausbildung von inhibitorischen kortikalen Erregbarkeitsveränderungen, wobei diese bei Rauchern im Nikotinentzug deutlich schlechter ausgeprägt waren als bei Nichtrauchern. Bei Nichtrauchern wurden die inhibitorischen Nacheffekte der PAS durch Nikotin aufgehoben bzw. vermindert, während sie bei Rauchern initial kürzer anhielten, später jedoch erneut auftraten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Nikotin eine wichtige Rolle bei der Ausbildung von inhibitorischen kortikalen Erregbarkeitsveränderungen spielt. Da diese als neuroplastisch bezeichneten Veränderungen als neurophysiologisches Korrelat für Lernvorgänge und Gedächtnis angesehen werden, lässt sich ein hierdurch vermittelter Einfluss von Nikotinabhängigkeit und Nikotinentzug auf kognitive Prozesse annehmen. Zudem nimmt Nikotin einen bedeutsamen Einfluss auf die durch zerebrale Stimulationsprotokolle wie die PAS ausgelösten Effekte.

Conventional functional electrical stimulation (FES) therapy, if provided shortly after an incomplete spinal cord injury, is able to help an individual to restore voluntary hand function. This is thought to occur through the induction of neuroplasticity. However, conventional FES therapy employs a push-button-based control scheme, which does not fully require the recipient to generate volitional movements. The first study in this thesis therefore sought to determine, in an early proof-of-concept test with able-bodied participants, whether control strategies which are triggered by volitional activity (including an electroencephalography-based brain-machine interface (BMI-FES) and an electromyogram-based control scheme (EMG-FES)) might provide greater benefits to hand function. The results offer relatively weak evidence to suggest that BMI-FES, and especially EMG-FES, were able to induce greater neuroplasticity than conventional treatments in the corticospinal tract leading to the hands, but that this did not immediately translate to more functional improvements such as maximum grip force. ii The second study in this thesis focussed on spinal associative stimulation (SAS), which involves paired stimulation pulses at both the head (via transcranial magnetic stimulation), and the wrist (via peripheral nerve stimulation). The purpose of this, as with the first study, was to induce neuroplasticity and upregulate the corticospinal tract leading to the hands. While limited research has suggested that it is possible to produce neuroplasticity through SAS, all such studies have provided stimulation at a fixed frequency of 0.1 or 0.2 Hz. The present study therefore sought to compare the effectiveness of a typical 0.1 Hz paradigm with a 1 Hz paradigm, and a paradigm which provided stimulation in 5 Hz “bursts”. None of the paradigms were able to successfully induce neuroplasticity in a consistent manner. The increased variability in this study as compared to the previous one, despite the nearly identical assessment methodology, suggests that responses to the SAS treatment may have been highly individual. This serves to highlight a potential limitation of the treatment, which is that its effectiveness may not be universal, but rather dependent on each specific recipient. This may be a challenge faced by SAS should it continue to be tested as a novel therapy.

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Dopamin und Acetylcholin sind wichtige neuromodulatorische Substanzen im menschlichen zentralen Nervensystem mir einem starken Einfluß auf Neuroplastizität. Der spezifische Einfluß dieser Substanzen auf Neuroplastizität wird durch verschiedene Faktoren, unter anderem Dosisabhängigkeit, Hintergrundaktivität neuronaler Netze und Subrezeptorspezifität determiniert. In dieser Dissertation haben wir den dosis- und subrezeptorabhängigen Effekt des cholinergen und dopaminergen Systems auf Neuroplastizität des menschlichen motorischen Kortex untersucht. Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und gepaarte assoziative Stimulation (PAS) stellen nicht-invasive Hirnstimulationstechniken dar, die die Erzeugung von Neuroplastizität beim Menschen ermöglichen. Wir haben in unseren Studien tDCS zur Erzeugung nicht-fokaler und PAS zur Erzeugung fokaler synapsenspezifischer Plastizität im motorischen Kortex von gesunden Probanden eingesetzt. In der ersten Studie konnten wir zeigen, daß die Aktivierung nikotinischer Rezeptoren einen fokussierenden Effekt auf fazilitatorische Plastizität hatte, inhibitorische Plastizität aber unabhängig von ihrer Fokalität verhinderte. Somit hat die Aktivierung nikotinerger Rezeptoren ähnliche Effekte wie globale cholinerge Aktivierung auf fazilitatorische, aber differente Effekte auf inhibitorische Plastizität. In der zweiten Studie untersuchten wir die dosisabhängigen Auswirkungen der Dopamin-Vorläufersubstanz l-Dopa auf Neuroplastizität. Bei mittlerer Dosis von l-Dopa war fokale Plastizität unverändert, wohingegen niedrige und hohe Dosen von l-Dopa die Induktion von Plastizität verhinderten. Die Ergebnisse zeigen somit einen klaren nicht-linearen dosisabhängigen Effekt. Aus den Ergebnissen dieser Studien kann geschlossen werden, daß Neuromodulatoren Plastizität im motorischen Kortex des Menschen relevant beeinflussen. Diese Effekte sind Subrezeptor- und Dosis-abhängig.

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.