The neuropsychology of transcutaneous vagus nerve simulation

Abstract

In dieser Dissertation werden neuropsychologische Effekte der transkutanen Vagusnervstimulation sowie ihr therapeutisches Potential im klinischneuropsychologischen Bereich untersucht. Die ersten beiden Studien zielen auf GABAerge Neuromodulation durch tVNS ab. Diese wird als einer der neuronalen Wirkmechanismen der tVNS diskutiert, doch die Evidenzlage ist noch ungenügend. Es wird eine Modulation der automatischen Motorinhibition durch tVNS gezeigt, welche eng mit der GABA-Konzentration im motorischen Kortex assoziiert ist. Andererseits findet sich kein Effekt von tVNS auf visuelle bistabile Perzeption, die eng mit der GABA-Konzentration im visuellen Kortex assoziiert ist. Da die Ergebnisse der beiden Studien kein konsistentes Bild ergeben, ist in dieser Arbeit ein zusätzlicher Studienentwurf enthalten, in dem per MEG gemessene Hirnoszillationen als Indikator für GABAerge Neuromodulation durch tVNS genutzt werden sollen. In der dritten Studie kommt eine Aufgabe zum Einsatz, in der Antwortkonflikte erzeugt werden. Es wird gezeigt, dass tVNS die globale und konfliktspezifische Performanz verbessern sowie frontomediale Theta-Aktivität, einen elektrophysiologischen Index für Konfliktkontrolle, verstärken kann, was das klinisch-neuropsychologische Potenzial der tVNS verdeutlicht. In der vierten Studie werden tonische Pupillengröße und ereigniskorrelierte Pupillenantworten als Indikator für noradrenerge Neuromodulation durch tVNS und als potentieller Biomarker für tVNSResponsivität untersucht. Es zeigt sich kein systematischer Einfluss der tVNS auf die Pupillenmaße. In einem zusätzlichen Bericht wird exploriert, ob Vagussensorisch evozierte Potenziale (VSEP) helfen können, Responder und Nichtresponder zu identifizieren. Im Gesamtfazit hat diese Arbeit das klinische Potenzial der tVNS bestätigt. Die Wirkmechanismen und Determinanten für erfolgreiche Anwendung der tVNS sind jedoch noch ungenügend verstanden.

This thesis focuses on neuropsychological effects of transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) and its potential as a prospective treatment for neuropsychological deficits. The first two studies target behavioral and electrophysiological indices that might support a GABAergic neuromodulation by tVNS. GABAergic neuromodulation is one of the assumed mechanisms of action of tVNS, but the evidence in its favor is sparse. It is shown that tVNS modulates automatic motor inhibition, a process associated to GABA in the motor cortex, but not visual bistable perception, which is associated to GABA in the visual cortex. Moreover, the former effect is restricted to the contralateral brain hemisphere relative to the stimulation, suggesting a possible lateralization of the effect. Since these findings are not fully consistent with respect to GABAergic neuromodulation, a study proposal is enclosed in which GABAergic neuromodulation will be further scrutinized using MEG. The third study investigates effects of tVNS on executive control of action. It is shown that tVNS enhances global and conflict-specific behavioral performance in a cued go-nogochange task as well as conflict-related electrophysiological frontal midline theta responses, rendering it a promising candidate treatment for executive control deficits. The fourth study probes the potential of pupillometry as a non-invasive marker for tVNS responsiveness. No systematic modulation of pupil size readouts by tVNS is found. In an additional short report, it is explored whether vagussensory evoked potentials (VSEP) can help to separate responder and nonresponder groups of individuals. It is concluded that tVNS is a promising clinical method, and its further investigation for neuropsychological applications is promising. On the other hand, its mechanisms of action are still poorly understood and warrant further investigation.