Transkraniale Gleichstromstimulation (tDCS) stellt eine neue Therapieoption für Patienten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen dar. tDCS ist eine nichtinvasive Methode, mit der das Membranpotential von Nervenzellen verändert wird. Eine Depolarisation führt zu einer Erhöhung des Potentials, eine Hyperpolarisation bewirkt eine Senkung. Diesen neuromodulatorischen Effekt hat man sich in der vorliegenden Arbeit zunutze gemacht. Im Versuchsaufbau wurde die Modulation von „sustained fear“ durch tDCS getestet. Das angewandte Paradigma ist nach dem Prinzip des NPU-Tests von Grillon aufgebaut. Mithilfe von vorhersehbaren und unvorhersehbaren aversiven Reizen (menschlicher Schrei) ist eine Einschätzung von kurz- („phasic“) und langanhaltenden („sustained“) Angstreaktionen möglich. Der Startle Reflex wurde zur Erfassung dieses Angstzustands aufgezeichnet. Gesunde Probanden (n=74) erfuhren eine 20-minütige tDCS Stimulation mit einer Stromstärke von 1 mA bei einer Elektrodengröße von 35 cm². Es ergab sich somit eine Stromdichte von 0,0286 mA/cm². Es konnte ein signifikanter Effekt von tDCS auf „sustained fear“ nachgewiesen werden. Die neuromodulatorische Wirkung stellte sich bei anodaler Stimulation durch veränderte Startle Statistiken im Vergleich zur Sham Kontrollgruppe dar. „Phasic fear“ zeigte keine nachweisbare Wirkung der Gleichstromstimulation. Gegenstand der Arbeit war außerdem die Untersuchung des Paradigmas zur Analyse von „phasic“ und „sustained fear“ auf subjektiver und psychophysiologischer Ebene. Mithilfe von Startle Daten und dreier spezieller Fragebögen war dies möglich (STAI X1, PANAS, SAM). Die Startle Daten bewiesen eine Einflussnahme der Bedingungen (vorhersehbar, unvorhersehbar, neutral). Zudem war der Reflex davon abhängig, ob den Probanden eine Vorwarnung angezeigt wurde (ITI, Cue). Eine Vorankündigung der aversiven Reize bewirkte eine erhöhte Anspannung, weshalb die Startle Reaktion bei der vorhersehbaren Bedingung am stärksten ausfiel. Ohne Vorwarnung (ITI) war die durchschnittliche Reaktion auf einen unvorhersehbaren Schrei am größten. Nicht angekündigte Stimuli lösten eine starke Stressreaktion aus, woraufhin eine anhaltende Alarmbereitschaft bei den Probanden entstand. „Sustained fear“ ergab sich aus den unvorhersehbaren Bedingungen mit und ohne Warnhinweise (ITI U-Cue U). Nach subjektiver Einschätzung der Versuchsteilnehmer/-innen bestätigte der STAI X1 und der PANAS einen Anstieg der emotionalen Anspannung durch das Paradigma. Der psychologische Einfluss des Paradigmas spiegelte sich auch im Rating des SAM-Tests wider. Vor allem der Effekt vorhersehbarer und unvorhersehbarer Ereignisse ergab übereinstimmend signifikante Werte, analog zu den Startle Daten. Die statistische Auswertung zeigt Erfolg versprechende Ansätze in Bezug auf den Einfluss der Gleichstromstimulation auf das Angstverhalten. Durch den Versuchsaufbau einer plazebokontrollierten, randomisierten Doppelblindstudie kann von sehr verlässlichen Ergebnissen mit großer Aussagekraft ausgegangen werden. Die nachgewiesene tDCS Wirkung gilt es nun anhand weiterführender Studien genauer zu untersuchen. Variable Parameter wie Stromintensität, Stimulationsdauer, Elektrodengröße und -position, aber auch interindividuelle Aspekte wie Alter, Geschlecht oder genetische Unterschiede müssen in Vergleichsuntersuchungen möglicherweise mit einem größeren Probandenkollektiv überprüft werden. Darüber hinaus wurde die Studie zunächst an gesunden Probanden getestet. Für eine Anwendung von tDCS bei Angststörungen müssen gesondert Versuche durchgeführt werden. Die Daten liefern einen wichtigen Beitrag zur tDCS Forschung und haben weitreichende Bedeutung für die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten im klinischen Alltag. / tDCS, a non-invasive method to modulate the activity of neuronal membrane, is often discussed as a promising tool in the therapy of mental disorders. Anodal Stimulation has an increasing effect on neurons, whereas cathodal has an inhibiting effect. Healthy volunteers (n=74) were tested in the NPU-test. Predictable and unpredictable aversive stimuli (a human scream) created short ("phasic") and long-lasting ("sustained") fear situations. The startle reaction was used to measure the evolving emotional state. With a current of 1 mA and electrodes the size of 35 cm² an electric field was generated for 20 minutes. In comparison to the sham-control group a significant effect of the anodal Stimulation was proved on sustained fear. Furthermore, the study approved the NPU-test as a tool to create and examine phasic and sustained fear. Several questionnaires also confirmed the effect of the paradigm. According to the subjective rating of the participants, the STAI X1, the PANAS and the SAM-test demonstrated an increasing arousal level and a higher emotional tension after finishing the paradigm. As a placebo-controlled, randomized double-blind trial, the experimental design indicates a great statistical power with promising results in the examination of the tDCS influence. Nevertheless further studies are necessary for the clinical use in psychological therapy.

61 gesunde Probanden wurden mittels tDCS bifrontal über dem DLPFC stimuliert und die Auswirkungen auf den VFT mittels fNIRS gemessen. / 61 healthy persons were stimulated via tDCS. We measured the influence on the VFT via fNIRS.

In dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine anodale tDCS über der Elektrodenposition AF3 und der Kathode über dem kontralateralen Mastoid Extinktionslernen modulieren kann. Auf Basis aktueller Forschungsergebnisse wurden die Hypothesen aufgestellt, dass im Vergleich von real stimulierter zu sham stimulierter Gruppe ein Unterschied in der Hautleitfähigkeitsrekation, dem Arousalrating und dem Valenzrating der Versuchsteilnehmenden im Vergleich von CS+ und CS- und im zeitlichen Verlauf von Akquisition zu Extinktion gezeigt werden kann. Um dies zu prüfen wurde eine randomisiert doppelt-verblindete Studie mit insgesamt 86 Probanden durchgeführt, von denen nach Überprüfen einer suffizienten Furchtkonditionierungsreaktion nach der Akquisitionsphase noch 46 Teilnehmer eingeschlossen wurden. Diese wurden auf zwei tDCS Gruppen im Sinne von realer Stimulation und sham Stimulation verblindet und zufällig aufgeteilt. Alle Teilnehmer durchliefen ein eintägiges Furchtkonditionierungsparadigma mit drei Phasen: Habituation, Akquisition und Extinktion. Während allen Phasen wurde die Hautleitfähigkeitsreaktion gemessen und die Probanden wurden gebeten die ihnen präsentierten Stimuli hinsichtlich deren Valenz und Arousal einzuschätzen. Die tDCS fand in einer zehnminütigen Pause vor der Extinktion und während destdcs Extinktionsdurchlaufs statt. In den Ergebnissen zeigt sich kein differenzieller Effekt der tDCS. In den erhobenen Hautleitfähigkeitsdaten zeigt sich in der frühen Extinktionsphase eine verringerte Hautleitfähigkeit in der verum stimulierten tDCS Gruppe unabhängig davon, ob ein CS+ oder ein CS- zu sehen war. Dies deutet auf eine generell verminderte Aufregung bei realer tDCS hin. In den Bewertungen bezüglich Arousal und Valenz findet sich ebenfalls kein Effekt der tDCS. In den Bewertungen zeigt sich jedoch die erfolgreiche Konditionierung und deren Extinktion. Nachfolgend stellt sich die Frage, ob zukünftig Paradigmen mit einem zweitägigen Design bevorzugt werden sollten, da diese realen Bedingungen näherkommen und teilweise auch Effekte der tDCS gezeigt haben. Abschließend lässt sich die große Rolle des vmPFC in der Verarbeitung von aversiven Reizen darstellen und betonen, welch großes Potential in einer Beeinflussung der Aktivität des vmPFC liegt, das zukünftig genauer untersucht werden muss. / In the present work the question was examined whether anodal tDCS over the electrode position AF3 with the dependent cathode over the contralateral mastoid can modulate extinction learning. Based on current research results, we hypothesised that in comparison of real stimulated to sham-stimulated group, a difference in skin conductivity response, arousal rating and valence rating of the participants in comparison of CS+ and CS- and in the time course from acquisition to extinction can be shown. In order to test these hypotheses, a randomized, double-blind study was carried out with a total of 86 subjects, of whom 46 participants were included after checking a sufficient fear conditioning reaction after the acquisition phase. These were blinded to the two tDCS groups in the sense of real stimulation and sham stimulation and randomly divided. All participants went through a one-day fear conditioning paradigm with the three phases habituation, acquisition and extinction. The skin conductivity response was measured during all phases and the subjects were asked to assess the stimuli presented to them with regard to their valence and arousal. The tDCS took place in a ten minute pause interval before the extinction and during the entire extinction phase. The results show no differential effect of tDCS. The skin conductivity data collected showed a reduced skin conductivity in the verum-stimulated tDCS group in the early extinction phase, regardless of whether a CS + or a CS- was seen. This indicates generally reduced excitement with real tDCS. There is also no effect of tDCS in the evaluations regarding arousal and valence. Although the ratings clearly show the successful conditioning and then its extinction. This raises the question of whether paradigms with a two-day design should be preferred in the future, since these come closer to real conditions and have also shown some effects of tDCS. In conclusion, the major role of the vmPFC in the processing of aversive stimuli can be highlighted and the great potential that lies in influencing the activity of the vmPFC, which must be examined more closely in the future.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18887号 / 医博第3998号 / 新制||医||1009(附属図書館) / 31838 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 河野 憲二, 教授 渡邉 大, 教授 大森 治紀 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Focal ischemic stroke cause alterations of the brain’s inherent excitation – inhibition balance in neurons around the infarct, and in distant areas connected to the damaged region. These widespread changes contribute to symptomatology and reduce activity in areas that have the capacity to functionally compensate for the effect of the focal lesion. The ability to control excitability in specific brain areas after stroke could restore normal excitability and promote functional recovery. Non-invasive brain stimulation techniques have the potential to produce targeted change in excitability in neural tissue. One such technique, transcranial direct current stimulation (tDCS), modulates cortical excitability in a lasting, polarity-specific manner. The hypotheses of this study were that 1) focal unilateral ischemic damage to the parietal cortex would produce repeatable alterations in the inhibitory network in ipsilateral and contralateral brain areas, and 2) tDCS applied after ischemia would alter the size of the lesion change the inhibitory networks. A unilateral non-invasive photothrombic stroke was produced under isoflurane anesthesia, and cathodal (n=5), anodal (n=5), or sham (n=6) tDCS (5 minutes, 10.0mA) was subsequently administered to the site. Four additional animals were assigned to sham operation groups that did not undergo photothrombosis. Animals recovered for 24 hours, after which their brains were cut, and prepared for single- and double-labeled immunocytochemistry to analyze the functional activity of excitatory neurons and inhibitory interneurons, astrogliosis, and neuronal degeneration. Results demonstrate that unilateral ischemic injury does not produce a hyperexcitability of the contralateral cortex or otherwise alter the activation status of immunohistochemcially-defined inhibitory or disinhibitory neurons, a finding discrepant with the rationale used to treat ischemic injury in humans. Similar findings were identified in the ipsilateral cortex. Results did show that ischemia activated white matter neurons, as well as neurons in layer III ipsilateral to the lesion extending 1-2mm into the intact cortex. Neurons degenerating as observed by Fluoro-Jade B revealed clusters of pyramidal-shaped neurons in layer V which extended quite far from the lesion site. Addition of cathodal, but not anodal tDCS produced an overall decrease in the lesion size, but this decrease was not statistically reliable. Stimulation also did not obviously alter the activation status of inhibitory or disinhibitory neurons. Both types of stimulation prevented the appearance of degenerating cells in layer V, and anodal tDCS reduced the activation of excitatory layer III excitatory neurons. These findings illustrate the utility of using tDCS during the production of a lesion to mitigate the size and impact of lesion and raises questions on the rationale rationale for applying brain stimulation to the contralesional cortex to treat stroke, at least in the acute stage. Finally, the series of studies here illustrate the extent to which the lesion causes widespread and specific neural circuits, and highlights the potential of tDCS use in manipulating the activity of these circuits.

In der Puppenhandillusion (PHI) wird durch die synchrone Berührung der nicht-sichtbaren Hand des Probanden und einer sichtbaren Puppenhand ein illusio-näres Körperzugehörigkeitsgefühl induziert. Dieses Paradigma erlaubt es zu untersuchen, wie das Gehirn widersprüchliche multisensorische Informationen während einer perzeptiven Inferenz auflöst. Vorausgehende Studien weisen darauf hin, dass der Konflikt zwischen visueller und propriozeptiver Information vor der PHI durch eine Abschwächung des so-matosensiblen Inputs behoben wird. Um herauszufinden, ob eine Exzitabilitäts-Minderung des primären somatosensiblen Kortex die PHI verstärken kann, kam die kathodale transkranielle Gleichstromstimulation (c-tDCS) zum Einsatz. An dreißig gesunden Probanden wurde die PHI ohne (=baseline) und während tDCS untersucht. Jeder Proband erhielt kathodale, anodale und sham-Stimulation an drei unterschiedlichen Tagen im Abstand von je einer Woche. Das PHI-Paradigma wurde in sechs Distanzen (von 17,5 bis 67,5 cm) zwischen der eigenen Hand und der Puppenhand durchgeführt. Das Auftreten der PHI wurde anhand eines Fragebogens (Illusionsscore, IS) und der Abweichung der gefühlten Handposition in Bezug zur realen Position (relativer Drift, RD) evalu-iert. Die kathodale Stimulation war mit einem signifikanten Anstieg des IS im Vergleich zur anodalen Stimulation assoziiert, wohingegen die RD-Werte über alle Stimulationsarten hinweg vergleichbar waren. Die fehlende Signifikanz zwischen Verum und Sham-Stimulation wurde auf die geringe Effektstärke bei vergleichsweise kleinem Probandenkollektiv bezogen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen jedoch eine verstärkte Wahrnehmung der PHI unabhängig von demographischen Faktoren, wenn kathodale tDCS über dem kontralateralen primären somatosensiblen Kortex appliziert wurde. Dies unterstützt unsere Hypothese, dass eine Abschwächung der somatosensiblen Präzision den Weg für eine erleichterte Integration eines fremden Körperteils in das eigene Körperschema ebnet. / In the rubber hand illusion (RHI), illusory bodily ownership is induced by synchronous touch of a participant's hidden hand and a visible surrogate. This paradigm allows investigating how the brain resolves conflicting multisensory evidence during perceptual inference. Previous studies suggest that the conflict between visual and proprioceptive information preceding the RHI is solved by attenuation of the somatosensory input. To investigate whether excitability-decreasing transcranial direct current stimulation (cathodal tDCS) over the primary somatosensory cortex may enhance the RHI, thirty healthy subjects underwent RHI without (baseline) and during tDCS. Each subject received cathodal, anodal, and sham stimulation at independent sessions on three separate days. The RHI paradigm was applied at six interval distances between the real and artificial hand. Occurrence of the RHI was evaluated by a questionnaire (illusion score) and the perceived hand misplacement (relative drift). Compared to sham, neither cathodal, nor anodal tDCS induced significant changes of the illusion score. However, cathodal tDCS was associated with significantly higher illusion scores compared to anodal stimulation. The relative drift was comparable between stimulation modes. Our findings point to a differential impact of cathodal vs. anodal tDCS over the somatosensory region on RHI perception. This may indicate that an attenuation - in contrast to an enhancement - of somatosensory precision might pave the way for the integration of an artificial limb into one's body schema.

ABSTRACT In the context of increasing incidence of stroke (but also an increasing rate of survival), non-invasive brain stimulation techniques (NIBS) are more frequently used for patients with post-stroke aphasia (PWA) and post-stroke depression (PSD). NIBS techniques, modulating brain plasticity, might offer valid, alternative therapeutic strategies. The aim is to reach a better outcome because treatment of aphasia can also improve post-stroke depression and vice versa. Based on two literature reviews on NIBS effects on PSD and post-stroke aphasia the conclusion is that, although the field is relatively new, and many more investigations with larger samples of patients are required, transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS) clinical application is well tolerated, safe, and feasible. Starting from these encouraging data, we used a combination of TMS and electroencephalography (EEG) to explore the excitability modulation before and after active (20 sessions) and sham (20 sessions) tDCS in a double-blind crossover experiment. Four chronic non fluent PWA underwent 8 weeks of verbal exercises coupled with tDCS over the perilesional areas close to the left inferior frontal gyrus. To evaluate changes induced by tDCS, TMS-EEG responses over Brodmann area 6 (BA6) were computed using five different parameters. In addition, these data were compared with those recorded from a matched control group. The results indicated a slight improvement after tDCS stimulation (as compared to sham) for patients with Broca’s aphasia, but not for those with global aphasia. Also, TMS-evoked EEG responses recorded from the ipsilesional hemisphere were abnormal in individuals with chronic post-stroke aphasia (slower and simple responses with higher amplitudes) when compared to responses from the contralesional hemisphere and from the control group. Critically, the Global Mean Field Power (GMFP), Local Mean Field Power (LMFP) and Natural Frequency values were modulated by anodal tDCS. Despite these interesting results, further data are needed in order the obtain more direct, stronger evidence linking behavioral tDCS effects and neurophysiological data.

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La stimulation transcrânienne par courant continu (tDCS) fait l'objet d'un regain d'intérêt par les communautés scientifique et médicale pour le traitement de diverses maladies psychiatriques, notamment la dépression majeure. Le but de ce travail de thèse est (i) de modéliser l'effet antidépresseur de la tDCS chez la souris saine afin d'identifier les paramètres de stimulation optimaux et de confirmer l'effet de type antidépresseur de la tDCS chez différents modèles murins de dépression et (ii) d'identifier certains des mécanismes d'action de la tDCS afin d'améliorer son utilisation et donc la prise en charge des patients. Nous avons montré que la tDCS induit un effet de type antidépresseur à long terme dans le test de nage forcée chez la souris saine, effet qui varie en intensité en fonction des paramètres de stimulation (nombre, durée, intensité et polarité de stimulation). La tDCS permet également de normaliser les comportements de type dépressifs observé chez les souris soumises à une exposition chronique à la corticostérone (hormone de stress) (modèle CORT), à des stress imprédictibles (modèle UCMS) ou à l'injection de LPS. L'analyse de l'expression du facteur de transcription précoce c-fos par immunohistochimie a permis de mettre en évidence que cet effet antidépresseur est associé à l'activation des neurones au sein de différentes structures impliquées dans la régulation émotionnelle et suggère la mise en place d'autres mécanismes (neuroplasticité?) lorsque la stimulation est répétée. De façon intéressante, la tDCS semble moduler la réponse inflammatoire induite par l'exposition chronique à des stress imprédictibles. En effet, la tDCS normalise les augmentations du nombre de cellules et des taux de globule blanc dans la rate, induites par la procédure d'UCMS et témoignant du déclanchement de la réponse inflammatoire. Ainsi ce travail participe à une meilleure compréhension des effets comportementaux de la tDCS et des phénomènes physiologiques les sous-tendant. / Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive method with increasing interest for the treatment of several brain disorders, such as major depression. Despite great enthusiasm and promising results, some studies report discrepant findings and no consensus exists for the clinical use of tDCS. The present work aims (i) to determine the most effective stimulation parameters to optimize antidepressant-like effect of tDCS in the forced-swim test in naïve mice and to evaluate the ability of tDCS to reverse depressive-like behaviors in different mouse models of depression, and (ii) to identify some of the mechanisms of action of tDCS to enhance our knowledge on this therapeutic strategy, and thus its clinical effects. We reported that tDCS induced long-lasting antidepressant-like effect, which varied as a function of stimulation settings including number, duration, intensity and polarity of stimulation. Interestingly, the present study also demonstrated that tDCS reduced depressive-like behaviors in different mouse models of depression (UCMS, chronic corticosterone exposure and acute LPS administration). Using cFos immunohistochemistry, we reported that behavioral outcomes induced by a single stimulation were associated with neuronal activation in several brain area involved in emotional regulation. Surprisingly, ten stimulations failed to modulate neuronal activation suggesting the development of other mechanisms behind the long-term effect of repeated tDCS, probably associated with plastic changes in the neuronal response. Interestingly, tDCS have the ability to reverse the UCMS-induced inflammatory response, particularly the number of cells and the polynuclear cell percentage in the spleen. This work brings new insights for a better understanding of the behavioral effects of tDCS and its underlying physiological processes.

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