Forschung

Verbesserung von visuell-räumlichem Lernen durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Visuell-räumliche Gedächtnisbildung wie das sog. Object-Lokalisations-Gedächtnis (engl. object-location memory) ist essentiell für die Orientierung im täglichen Leben, und verschlechtert sich im höheren Lebensalter und bei verschiedenen altersassoziierten Erkrankungen. Aufgrund der hohen Alltagsrelevanz dieser kognitiven Fähigkeit für alle Lebensbereiche soll das geplante Projekt die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren, die der Verbesserung dieser Funktion durch individualisierte, fokale transkranielle Gleichstromstimulation zugrunde liegen, untersuchen. Langfristig werden die Ergebnisse dieses Projekts zur Entwicklung verbesserter Therapien von Menschen mit Störungen der visuell-räumlichen Gedächtnisbildung, durch z. B. neurodegenerative Erkrankungen oder durch Schlaganfall, beitragen.

Innerhalb des breiteren Kontextes der Forschungsgruppe ist diese Studie (Projekt 1) eins von acht Projekten, die die Effekte von tDCS auf Lernen und Gedächtnisbildung über verschiedene Domänen hinweg untersucht (Projekte 1-8). Der systematische und koordinierte Ansatz von Studiendesign und Datenerhebung in diesen empirischen Projekten wird es erstmalig erlauben, die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren einer Verhaltensmodulation nicht nur in jedem Einzelprojekt, sondern über alle Aufgaben und Domänen hinweg zu erfassen (geplant im Projekt 9).

Projekt 1 trägt dabei einzigartige Informationen bei zur Frage, wie die tDCS räumlich-visuelle episodische Gedächtnisbildung moduliert, und ergänzt damit die Untersuchung einer tDCS-induzierten Modulation von räumlichem Arbeitsgedächtnis in Projekt 2 (PI Blankenburg). Der Vergleich mit den Ergebnissen von Projekt 3, das ein ähnliches Lernparadigma verwendet, um die Modulation von verbaler episodischer Gedächtnisleistung zu erfassen (PI Meinzer) wird es erlauben, die Domänen-Spezifität zu erfassen. Zusammengenommen werden die empirischen Projekte der Forschungsgruppe entscheidend unser Verständnis verbessern von tDCS-induzierten Effekten auf Gehirnnetzwerke, ihre örtliche Spezifität sowie die Mechanismen, die der inter-individuellen Variabilität von Stimulationseffekten zugrunde liegen. Aus methodischer Sicht werden die Daten, die in diesem Projekt erhoben werden, beitragen, um biophysische Modelle des induzierten Stromflusses zu optimieren und zu validieren (in P9+10), und dadurch experimentelle und klinische Anwendungen von tDCS generell zu verbessern.

Verbesserung von Wortlernen durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Die Fähigkeit neue Worte zu erlernen ist ein wichtiger Aspekt von Spracherwerb, sowohl in der Kindheit, als auch im Erwachsenenalter. Daneben ist bekannt, dass die Fähigkeit neue Worte zu erlernen im normalen Altersprozess und bei verschiedenen altersbedingten Erkrankungen beeinträchtigt ist. Aufgrund der hohen Alltagsrelevanz von Sprachkompetenz für alle Lebensbereiche, und der zentralen Rolle von Wortlernen in diesem Kontext, wird das geplante Projekt die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren der Verbesserung dieses essentiellen menschlichen Lernprozesses durch individualisierte und fokale transkranielle Gleichstromstimulation untersuchen. Langfristig werden die Ergebnisse dieses Projekts zur Entwicklung verbesserter Therapien von Menschen mit Beeinträchtigungen von Wortlernen durch neurodegenerative Erkrankungen oder Schlaganfall beitragen.

Im Rahmen der Forschungsgruppe ist die geplante Studie (Projekt 3) eines von acht Projekten, die Effekte von Gleichstromstimulation auf Lernen und Gedächtnisbildung über verschiedene Funktionsbereiche und die menschliche Lebenspanne hinweg untersuchen (Projekte 1-8). Der systematische und koordinierte Ansatz in diesen empirischen Projekten wird es erstmalig erlauben, die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren der Effekte von Gleichstromstimulation nicht nur in den einzelnen Projekten, sondern auch über alle experimentellen Aufgaben und Funktionsbereiche hinweg zu erfassen (Projekt 9). Des Weiteren komplementiert das vorliegende Projekt die Untersuchung von Effekten der Gleichstromstimulation auf das verbale Arbeitsgedächtnisses in Projekt 4 (PI Hartwigsen). Der Vergleich mit den Ergebnissen von Projekt 1 (PI Flöel), das ein ähnliches Lernparadigma zur Modulation des visuell-räumlichen Lernens verwendet, erlaubt die Untersuchung der Spezifität potentieller Stimulationseffekte über verschiedene Funktionsbereiche.

Insgesamt werden Ergebnisse der geplanten Forschungsgruppe entscheidend dazu beitragen das Verständnis der durch Gleichstromstimulation induzierten Effekte auf Gehirnnetzwerke zu verbessern und Prädiktoren inter-individueller Variabilität über die menschliche Lebensspanne hinweg zu identifizieren. Aus methodischer Sicht werden die in den empirischen Projekten erhobenen Daten dazu beitragen biophysikalische Modelle des durch Gleichstromstimulation induzierten Stromflusses zu optimieren und zu validieren (in P9+10), und dadurch zukünftige experimentelle und klinische Anwendungen dieser Methode grundlegend verbessern.

Verbesserung des verbalen Arbeitsgedächtnisses durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Das verbale Arbeitsgedächtnis beschreibt die Fähigkeit zur kurzzeitigen Speicherung verbaler Informationen, welche zentral für die menschlichen Kognition ist. Verbale Arbeitsgedächtnisprozesse sind insbesondere für erfolgreiche und effiziente Kommunikation im Alltag wichtig. Diese Fähigkeit ist häufig im normalen Altersprozess und bei Patienten mit neurologischen und psychiatrischen Störungen beeinträchtigt. In dem geplanten Projekt werden die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren untersucht, die der Verbesserung des verbalen Arbeitsgedächtnisses durch individualisierte, fokale transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) zugrunde liegen. Dabei wird individualisierte tDCS mit einem gut etablierten n-back-Paradigma bei gesunden Probanden kombiniert. Stimulations-induzierte Veränderungen auf der neuronalen Netzwerkebene werden mit univariaten funktionellen Bildgebungsanalysen sowie funktionellen und effektiven Konnektivitätsanalysen und Graphentheoretischen Ansätzen ausgewertet. tDCS-induzierte Änderungen in der Netzwerkinteraktion sollen mit Verhaltensänderungen in Beziehung gesetzt werden. Ein besseres Verständnis der neuronalen Grundlagen modulatorischer tDCS-Effekte auf das verbale Arbeitsgedächtnis kann dazu beitragen, aktuelle Modelle zum verbalen Arbeitsgedächtnis zu verfeinern und auf lange Sicht die Behandlungseffizienz von Neurostimulationsprotokollen bei Patienten mit Defiziten im verbalen Arbeitsgedächtnis erhöhen.

Im Rahmen der Forschungsgruppe (FG) stellt die geplante Studie eines von acht Projekten dar, in denen die Auswirkungen von tDCS auf Lernen und Gedächtnisbildung über verschiedene Domänen und die menschliche Lebenspanne hinweg untersucht werden (Projekte 1-8). Der hochgradig systematische und kontrollierte Ansatz dieser empirischen Projekte wird es erstmals ermöglichen, die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen und Prädiktoren neuromodulatorischer Stimulationseffekte nicht nur innerhalb der einzelnen Projekte, sondern auch über die verschiedenen Aufgaben und Domänen hinweg (in Projekt 9) zu analysieren.

Das geplante Projekt wird neue Informationen darüber liefern, wie tDCS das verbale Arbeitsgedächtnis moduliert und komplementiert damit die Untersuchung von tDCS-induzierten Verbesserungen der verbalen episodischen Gedächtnisbildung in Projekt 3 (PI Meinzer).

Insgesamt werden die Ergebnisse der geplanten Forschungsgruppe entscheidend dazu beitragen, das Verständnis der durch Gleichstromstimulation induzierten Effekte auf Gehirnnetzwerke zu verbessern und Prädiktoren inter-individueller Variabilität über die menschliche Lebensspanne hinweg zu identifizieren. Aus methodischer Sicht werden die in diesen Projekten gewonnenen Daten dazu beitragen, biophysikalische Modelle zum Stromfluss im menschlichen Gehirn (in P9+10) zu optimieren und zu validieren, wodurch zukünftige experimentelle und translationale Anwendungen der tDCS verbessert werden. 

Verbesserung motorischen Sequenzlernens durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Die Fähigkeit des Erlernens motorischer Sequenzen ist ein wichtiger Aspekt motorischen Lernens sowohl in der Entwicklung als auch bei Erwachsenen. Motorisches Lernen, und das motorische Gedächtnis sind desweiteren in höherem Lebensalter, und bei altersbedingten Erkrankungen defizient. Wegen der hohen Relevanz motorischen Lernens für das Alltags- und Berufsleben werden wir in diesem Projekt spezifisch neuronale Mechanismen und Prädiktoren dessen Verstärkung durch individualisierte, fokale transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) untersuchen. Langfristig wird dieses Projekt dazu beitragen, die Therapie von Patienten mit neurologischen Erkrankungen (beispielsweise Schlaganfall, M. Parkinson), die motorisches Lernen reduzieren und motorisches Lernen umfassende Rehabilitation erfordern, zu verbessern.

Im erweiterten Kontext der Forschergruppe ist das vorliegende Projekt eines von 8 empirischen Projekten, die Effekte der tDCS auf Lernen und Gedächnisbildung in verschiedenen funktionellen Domänen untersuchen (Projekte 1-8). Dieser koodinierte und systematische Ansatz wird es erstmals erlauben, die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen und Prädiktoren behavioraler Effekte der Stimulation nicht nur innerhalb der jeweiligen Einzelprojekte, sondern auch über verschiedene Aufgaben und funktionelle Domänen hinweg zu untersuchen (im Projekt 9).

Das Projekt P5 wird spezifische Informationen liefern, wie tDCS motorisches Sequenzlernen beeinfußt, an dem auf neuronaler Ebene primär kortiko-striatale Netzwerke beteiligt sind, und somit komplementäre Informationen zu Projekt P6 (PI Timmann) liefern, das motorisches Lernen untersucht, für das zerebelläre Areale entscheidend sind. Insgesamt betrachtet, werden die Ergebnisse der empirischen Projekte der Forschergruppe unser Verständnis der neuronalen Netzwerkeffekte der tDCS wesentlich erweitern, einschließlich ihrer regionalen Spezifität und interindividueller Unterschiede der Stimulationseffekte. Aus methodischer Perspektive werden die in diesem Projekt erhobenen Daten dazu beitragen, biophysikalische Modelle des tDCS-induzierten Stromflusses zu optimieren und validieren (Projekte P9 und P10) und somit zukünftige experimentelle und translationale Anwendungen der tDCS bei gesunden Menschen und Erkrankungen des zentralen Nervensystems verbessern.

Verbesserung von Kleinhirn-abhängigen motorischen Lernvorgängen durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Transkranielle Gleichstromstimulation des Kleinhirns (zerebelläre tDCS) ist von großem Interesse, sowohl um die Funktion des Kleinhirns besser zu verstehen, als auch zur Behandlung von zerebellären Erkrankungen. Zerebelläre tDCS-Effekte sind jedoch oft schwer zu replizieren, selbst innerhalb desselben Labors, was auf eine beträchtliche interindividuelle Variabilität hinweist und einer breiteren Anwendung aktuell entgegensteht. Die Ziele des vorliegenden Projekts sind es zu untersuchen, ob fokale tDCS basierend auf der individuellen Kleinhirnanatomie motorisches Lernen zuverlässig verbessert, die neuronalen Mechanismen zu verstehen, die fokalen zerebellären tDCS-Effekten zugrunde liegen, und die Prädiktoren für individuelle zerebelläre tDCS-Effekte systematisch zu untersuchen. Wir werden die Blinkreflex-Konditionierung verwenden, um Effekte von zerebellärer Gleichstromstimulation zu untersuchen, da dieser motorische Lernvorgang stark vom Kleinhirn abhängig ist und die relevanten Kleinhirnareale gut bekannt sind. Darüber hinaus nimmt die Fähigkeit, den Blinkreflex zu konditionieren mit zunehmendem Alter ab und ist bei Kleinhirnerkrankungen gestört. Die ursprünglich beschriebenen, verstärkenden Effekte zerebellärer tDCS auf den Erwerb konditionierter Blinkreflex-Antworten waren in späteren Studien schwer zu replizieren. Die Blinkreflex-Konditionierung ist deshalb ein sehr gutes Modell, um Stimulationsprotokolle auf individueller Ebene zu optimieren, die Wirksamkeit der Intervention zu erhöhen und mögliche Prädiktoren zerebellärer tDCS-Effekte zu identifizieren.

Im Rahmen der Forschungsgruppe ist die vorliegende Studie (Projekt P6) eines von acht Projekten, die die Effekte von Gleichstromstimulation auf das Lernen und die Gedächtnisbildung über verschiedene Funktionsbereiche und die menschliche Lebensspanne hinweg untersuchen (P1-8). Der systematische und koordinierte Ansatz, der in diesen empirischen Projekten verfolgt wird, wird es zum ersten Mal ermöglichen, die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen und Prädiktoren von tDCS-bedingten Verhaltensänderungen nicht nur in jedem Einzelprojekt, sondern über alle Aufgaben und Domänen hinweg zu erfassen (geplant in P9).

Das aktuelle Projekt wird das Projekt P5 ergänzen, das auch die Effekte von Gleichstromstimulation auf motorische Lernvorgänge untersucht, jedoch mit Fokus auf dem primär motorischen Kortex und dem Lernen von motorischen Sequenzen. Insgesamt werden die Ergebnisse der empirischen Projekte der Forschungsgruppe unser aktuelles Verständnis der Gleichstrom-induzierten neuronalen Netzwerkeffekte, ihrer regionalen Spezifität und der Mechanismen, die der interindividuellen Variabilität von Stimulationseffekten zugrunde liegen, erweitern. Aus methodischer Sicht, werden die gewonnenen Daten zur Optimierung und Validierung biophysikalischer Modelle des Stromflusses (in P9+10) beitragen und damit zukünftige experimentelle, translationale und klinische Anwendungen von Gleichstromstimulation verbessern.

Verbesserung von lernbasierter kognitiver Kontrolle durch fokale transkranielle Gleichstromstimulation

Adaptive kognitive Kontrolle – die menschliche Fähigkeit, zielgerichtetes Verhalten in sich dynamisch verändernden Umgebungen zu verfolgen – bildet die Grundlage für kognitive und verhaltensbezogene Flexibilität im Alltag. Jüngste Forschungen haben assoziative Lernmechanismen und die Rolle des episodischen Gedächtnisses als grundlegende Mechanismen hervorgehoben, die der adaptiven kognitiven Kontrolle zugrunde liegen. Da adaptive kognitive Kontrolle altersbezogenen Veränderungen unterliegt und dysfunktionale Kontrolle eng mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen zusammenhängt, soll das geplante Projekt die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren, die der Verbesserung dieser Funktion durch individualisierte und fokale transkranielle Gleichstromstimulation zugrunde liegen, untersuchen. Langfristig werden die Ergebnisse dieses Projekts dazu beitragen, die Behandlung von Menschen mit Selbstkontrolldefiziten und beeinträchtigtem Entscheidungsverhalten (z.B. Sucht, Essstörungen) zu verbessern.

Innerhalb des breiteren Kontextes der Forschungsgruppe ist diese Studie (Projekt 7) eins von acht Projekten, die die Effekte von Gleichstromstimulation auf Lernen und Gedächtnisbildung über verschiedene Domänen hinweg untersuchen (Projekte 1-8). Der systematische und koordinierte Ansatz von Studiendesign und Datenerhebung in diesen empirischen Projekten wird es erstmalig erlauben, die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren einer Verhaltensmodulation nicht nur in jedem Einzelprojekt, sondern über alle Aufgaben und Domänen hinweg zu erfassen (geplant im Projekt 9).

Das vorliegende Projekt wird einzigartige Informationen zur Frage beitragen, wie Gleichstromstimulation die lernbasierte adaptive kognitive Kontrolle moduliert, und ergänzt damit die Untersuchung einer Gleichstromstimulation-induzierten Modulation der sequentiellen Entscheidungsfindung in Projekt 8 (PI Li) ergänzen. Insgesamt werden Ergebnisse der geplanten Forschungsgruppe entscheidend dazu beitragen das Verständnis der durch Gleichstromstimulation induzierten Effekte auf Gehirnnetzwerke zu verbessern und Prädiktoren inter-individueller Variabilität über die menschliche Lebensspanne hinweg zu identifizieren. Aus methodischer Sicht werden die in den empirischen Projekten erhobenen Daten dazu beitragen biophysikalische Modelle des durch Gleichstromstimulation induzierten Stromflusses zu optimieren und zu validieren (in P9+10), und dadurch zukünftige experimentelle und klinische Anwendungen dieser Methode grundlegend verbessern. 

Verbesserung des wertebasierten Lernens durch fokale tDCS (transkranielle Gleichstromstimulation)

Adaptives Verhalten setzt voraus, dass der Einzelne lernt, Zusammenhänge zwischen seinen Entscheidungen und den Ergebnissen seiner Entscheidungen herzustellen, um sein Verhalten flexibel an situationale Anforderungen anzupassen. Ein solches wertebasiertes Lernen liegt auch der sequentiellen Entscheidungsfindung zugrunde, bei der das Ergebnis einer aktuellen Entscheidung erst nach einigen Entscheidungsschritten erkennbar wird. Wertebasiertes Lernen ist von entscheidender Bedeutung für die Anpassung an sich verändernde Umwelten während des gesamten Lebens und nimmt bekanntermaßen mit zunehmendem Alter und bei altersbedingten Krankheiten ab. Da wertbasierte sequentielle Entscheidungen eine ökologisch relevante Aufgabe im Alltag von Menschen unterschiedlichen Alters sind, werden in diesem Projekt speziell die neuronalen Mechanismen und Prädiktoren untersucht, die der Verbesserung dieses Prozesses durch individualisierte, fokale transkranielle Gleichstromstimulation zugrunde liegen. Langfristig werden die Ergebnisse dieses Projekts zur Verbesserung der Behandlung von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen (z. B. Demenz und deren Vorstufen) beitragen.

Im Rahmen der Forschungsgruppe ist die vorliegende Studie eines von acht empirischen Projekten, in denen die Auswirkungen von tDCS auf das Lernen und die Gedächtnisbildung in verschiedenen Funktionsbereichen  und über die gesunde menschliche Lebensspanne hinweg untersucht werden. Der hochgradig systematische und koordinierte Ansatz dieser empirischen Projekte wird es uns zum ersten Mal ermöglichen, die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen und Prädiktoren für die Reaktion auf Verhaltensstimulationen nicht nur innerhalb der einzelnen Projekte zu analysieren, sondern auch mit methodenorientierten Projekten in der Forschungseinheit zu koordinieren, um die Beziehungen zwischen verschiedenen Aufgaben und Funktionsbereichen zu untersuchen.
Das vorliegende Projekt wird neue Informationen darüber liefern, wie Gleichstromstimulation wertbasierte sequentielle Entscheidungen moduliert, und damit die Untersuchung der  durch Gleichstrom induzierten Verbesserung lernbasierter adaptiver Kontrolle in Projekt 7 (PI Fischer) ergänzen. Insgesamt werden die Ergebnisse der empirischen Projekte der Forschungsgruppe unser derzeitiges Verständnis der  durch Gleichstromstimulation induzierten neuronalen Netzwerkeffekte, ihrer regionalen Spezifität, der Mechanismen, die der interindividuellen Variabilität der Stimulationseffekte zugrunde liegen, und mögliche Veränderungen aufgrund des chronologischen Alters erweitern. Aus methodischer Sicht werden die in diesen Projekten gewonnenen Daten zur Optimierung und Validierung biophysikalischer Modelle des Stromflusses (in P9 und P10) beitragen und damit künftige experimentelle und translationale Anwendungen von Gleichstromstimulation grundlegend verbessern.

Optimierung fokaler Hirnstimulation mit Hilfe individualisierter Feldsimulationen: Untersuchung von Effekten über verschiedene Hirnregionen und funktionelle Domänen

Moderne biophysikalische Modellierungsansätze erlauben die Schätzung der durch Hirnstimulation im menschlichen Gehirn induzierten elektrischen Felder. Auf Magnet-Resonanz (MR) Bildgebung basierende Kopfmodelle ermöglichen hierbei individuelle Simulationen des Stromflusses. Bisherige Studien berichteten jedoch hohe interindividuelle Variabilität in der Stärke und Verteilung elektrischer Felder im Gehirn, welche mit variablen Effekten der Hirnstimulation in Verbindung gebracht wurde. Die Variabilität der Stimulationseffekte könnte nach neueren Erkenntnissen zumindest teilweise auf funktionellen und mikrostrukturellen Eigenschaften der stimulierten Hirnareale beruhen. Bisher ist jedoch der prädiktive Wert individualisierter Feldsimulationen zur Vorhersage von Effekten auf Verhalten und neurophysiologische Parameter und deren Variabilität nur unzureichend erforscht. Ansätze zur Optimierung der Stromflussverteilung in Gehirn befinden sich im Entwicklungsprozess. So sind Dosis-Wirkungs-Zusammenhänge, potentielle Unterschiede zwischen kortikalen Hirnarealen, funktionellen Domänen und Veränderungen über die Lebensspannen bisher nur rudimentär untersucht.  Diesen Fragen wird das vorliegende Projekt (P9) erstmals im Rahmen des koordinierten und optimierten Stimulationsansatzes der Forschungsgruppe systematisch untersuchen.

Projekt 9 der Forschungsgruppe wird im Kontext dieser Fragestellungen (A) eine Service-Funktion für die empirischen Projekte (P1-8) erfüllen, in dem es Methoden, die für reproduzierbare und personalisierte Stimulation notwendig sind, zur Verfügung stellt. Anhand der in P1-8 erhobenen strukturellen MR Bildern, wird ein individualisierter und fokaler Stimulationsansatz entwickelt, der optimierte und zwischen den Projekten einheitliche Stimulationsprotokolle ermöglicht. Darüber hinaus verfolgt P9 einen eigenen Hypothesen-geleiteten Forschungsansatz, um die interindividuelle Variabilität der Stimulationseffekten auf Verhalten und Hirnfunktionen in den empirischen Projekten zu untersuchen. (B.1) Dabei werden potentielle Domänen- und Aufgaben-spezifische Zusammenhänge der individuell induzierten Feldstärken mit behavioralen und neuronalen Stimulationseffekten erforscht. (B.2) Projekt-übergreifende Datenanalysen werden zusätzlich ermöglichen, die Konsistenz der beobachteten Zusammenhänge zwischen Projekten zu überprüfen.

Langfristig wird das Projekt dazu beitragen, tDCS Interventionen systematisch zu planen und die Parameter der Stimulation individualisiert zu optimieren. Die prospektive zweite Förderperiode der Forschungsgruppe soll zusätzlich den Einfluss altersassoziierter Hirnveränderungen auf Stimulationseffekte und deren Mediatoren untersuchen. Die Ergebnisse des vorliegenden Projektes legen damit den Grundstein für individuell optimierte Stimulationsprotokolle über die menschliche Lebensspanne, mit dem übergeordneten Ziel, die das individuelle Ansprechen auf Hirnstimulation zu optimieren. 

Validierung und Optimierung von personalisierten Stromflussberechnungen über einen weiten Altersbereich durch in-vivo Magnetresonanzmessungen der induzierten Stromdichte

Computersimulationen sind ein wichtiges Werkzeug, um die durch transkranielle Elektrostimulation induzierte Stromverteilung im Gehirn zu bestimmen und zu optimieren. Simulationen ermöglichen zudem personalisierte Stimulationsansätze, welche die Effekte von unterschiedlichen Kopf- und Gehirnanatomien auf den Stromfluss berücksichtigen. Sie sind deshalb ein integraler Bestandteil des Forschungsansatzes dieser Forschergruppe (FG). Simulationen liefern jedoch lediglich Abschätzungen des tatsächlichen Stromflusses, basierend auf potentiell unpräzisen Informationen über Kopfanatomie und Gewebeleitfähigkeiten. Die Validierung ihrer Genauigkeit ist deshalb sehr wichtig, um sicherzustellen, dass Zusammenhänge zwischen (simulierter) Stromverteilung und den physiologischen Stimulationseffekten zuverlässig ermittelt werden können. Sowohl theoretische Analysen als auch Kontrollmessungen mittels invasiver Elektroden während der Operationsvorbereitung bei ausgewählten Patienten zeigen jedoch große interindividuelle Unterschiede bei der Simulationsgenauigkeit.

In Projekt 10 (P10) der FG werden wir erstmals Magnetresonanz-basierte Stromdichte-Bildgebung (MRCDI – MR current density imaging) in einer großen Probandengruppe anwenden, um die eingesetzten Stromflusssimulationen systematisch und nicht-invasiv zu validieren. Das Projekt baut auf unser aktuellen, umfangreichen Forschung zu MR Aufnahmeverfahren, optimierter Stimulationsausrüstung und Analyseverfahren auf, welche nun einen breiten Einsatz von MRCDI Messungen in Menschen ermöglichen. In P10 werden wir zunächst für alle in der FG verwendeten Stimulationsziele MRCDI Daten von 40 Probanden erheben. Die Daten werden in einem neuen Bayesschen Analyseansatz verwendet, um die Gewebeleitfähigkeiten der personalisierten Kopfmodelle systematisch zu optimieren. Der Bayessche Ansatz erlaubt dabei systematische Rückschlüsse, welche der Gewebeleitfähigkeiten von der MRCDI-basierten Optimierung profitieren. Im nächsten Schritt werden wir den Analyseansatz erweiterten, um Kopfmodelle mit unterschiedlichen anatomischen Feinheitsgraden zu vergleichen und den Einfluss ausgewählter anatomischer Parameter (Schädeldicke, Liquorvolumen) und demografischer Daten (Alter, Geschlecht) auf die Simulationsgenauigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse werden uns erlauben, die in der FG verwendeten Stromflussberechnungen zu verbessern und damit die Genauigkeit der in den übrigen Projekten der FG durchgeführten Analysen zu erhöhen. Wir werden die verbesserten Methoden zudem frei verfügbar machen.

Schlussendlich werden wir die MRCDI Aufnahmeverfahren stark vereinfachen, welche momentan spezielle Fachkenntnisse benötigen. Dies wird MRCDI auf den allgemeinen Einsatz in allen Projekten der FG während der möglichen weiteren Förderperiode vorbereiten. Änderungen der Schädelzusammensetzung und Gehirnanatomie im hohen Alter lassen dabei eine Überprüfung der Simulationsgenauigkeit der Stromflussberechnungen via MRCDI besonders relevant erscheinen.