Induktion präfrontaler Dysfunktion bei gesunden Probanden durch inhibitorische TMS: Eine NIRS-Messung / Induction of a prefrontal dysfunction on healthy subjects with inhibitory TMS: a near-infrared spectroscopy (NIRS) study

A full-sine (biphasic) pulse waveform is most commonly used for repetitive transcranial magnetic stimulation (TMS), but little is known about how variations in duration or amplitude of distinct pulse segments influence the effectiveness of a single TMS pulse to elicit a corticomotor response. Using a novel TMS device, we systematically varied the configuration of full-sine pulses to assess the impact of configuration changes on resting motor threshold (RMT) as measure of stimulation effectiveness with single-pulse TMS of the non-dominant motor hand area (M1). In young healthy volunteers, we (i) compared monophasic, half-sine, and full-sine pulses, (ii) applied two-segment pulses consisting of two identical half-sines, and (iii) manipulated amplitude, duration, and current direction of the first or second full-sine pulse half-segments. RMT was significantly higher using half-sine or monophasic pulses compared with full-sine. Pulses combining two half-sines of identical polarity and duration were also characterized by higher RMT than fullsine stimuli resulting. For full-sine stimuli, decreasing the amplitude of the halfsegment inducing posterior-anterior oriented current in M1 resulted in considerably higher RMT, whereas varying the amplitude of the half-segment inducing anterior-posterior current had a smaller effect. These findings provide direct experimental evidence that the pulse segment inducing a posterior anterior directed current in M1 contributes most to corticospinal pathway excitation. Preferential excitation of neuronal target cells in the posterior-anterior segment or targeting of different neuronal structures by the two half-segments can explain this result. Thus, our findings help understanding the mechanisms of neural stimulation by full-sine TMS.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.

A full-sine (biphasic) pulse waveform is most commonly used for repetitive transcranial magnetic stimulation (TMS), but little is known about how variations in duration or amplitude of distinct pulse segments influence the effectiveness of a single TMS pulse to elicit a corticomotor response. Using a novel TMS device, we systematically varied the configuration of full-sine pulses to assess the impact of configuration changes on resting motor threshold (RMT) as measure of stimulation effectiveness with single-pulse TMS of the non-dominant motor hand area (M1). In young healthy volunteers, we (i) compared monophasic, half-sine, and full-sine pulses, (ii) applied two-segment pulses consisting of two identical half-sines, and (iii) manipulated amplitude, duration, and current direction of the first or second full-sine pulse half-segments. RMT was significantly higher using half-sine or monophasic pulses compared with full-sine. Pulses combining two half-sines of identical polarity and duration were also characterized by higher RMT than fullsine stimuli resulting. For full-sine stimuli, decreasing the amplitude of the halfsegment inducing posterior-anterior oriented current in M1 resulted in considerably higher RMT, whereas varying the amplitude of the half-segment inducing anterior-posterior current had a smaller effect. These findings provide direct experimental evidence that the pulse segment inducing a posterior anterior directed current in M1 contributes most to corticospinal pathway excitation. Preferential excitation of neuronal target cells in the posterior-anterior segment or targeting of different neuronal structures by the two half-segments can explain this result. Thus, our findings help understanding the mechanisms of neural stimulation by full-sine TMS.

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Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.