Evaluating the efficacy of transcranial temporal interference stimulation (tTIS) in humans

Abstract

Transcranial Temporal Interference Stimulation (tTIS) is an emerging non-invasive brain stimulation technique that offers the potential to target deeper brain areas with high focality, overcoming limitations of traditional electrostimulation methods such as transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). Empirical evidence supporting its efficacy has primarily been obtained from a limited number of murine studies, with even fewer conducted in humans. This dissertation aims to address this gap by providing a comprehensive exploration of tTIS in humans. It seeks to provide proof- of-concept evidence, establishing the feasibility and efficacy of tTIS, thereby unlocking potential applications in both research and therapeutic settings. Study 1 examined whether tTIS could induce neuronal activation in retinal cells, using phosphenes as markers of stimulation efficacy. Although phosphenes were not induced, the study provided valuable insights into the neuronal activation capabilities of tTIS, suggesting that neuronal modulation might be a more promising avenue. Based on these findings, Study 2 investigated the effects of tTIS at alpha frequencies to modulate activity in parieto-occipital regions. The results demonstrated significant changes in event-related desynchronization (ERD) during a mental rotation task, indicating entrainment of alpha oscillations during task performance. Notably, the study found no stimulation effect on alpha activity at rest, highlighting the necessity of an active neuronal network for effective modulation. Study 3 addressed a key limitation of current tTIS applications: the lack of exploration of stimulation intensities beyond 2 mA, which may constrain efficacy. To overcome this limitation, the study investigated higher stimulation intensities for human use, demonstrating that up to 4 mA could be safely and comfortably administered. In summary, this dissertation establishes tTIS as a promising technique for non-invasive brain stimulation, capable of modulating activity in engaged neuronal networks. These findings provide a strong foundation for future research and potential clinical applications, paving the way for advanced neurotherapeutic interventions.

Die transkranielle temporale Interferenzstimulation (tTIS) ist eine aufstrebende, nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die das Potenzial bietet, tiefere Hirnareale mit hoher Fokalität zu erreichen und damit die Einschränkungen herkömmlicher Elektrostimulationsmethoden wie der transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS) zu überwinden. Empirische Belege für ihre Wirksamkeit stammen bislang nur aus einer begrenzten Anzahl von Studien an Mausmodellen, während Untersuchungen am Menschen noch seltener sind. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Lücke in humanen In-vivo-Studien zu schließen, indem sie eine umfassende Erforschung von tTIS beim Menschen bietet. Sie strebt einen Machbarkeitsnachweis an und etabliert die Wirksamkeit von tTIS, um weitere potenzielle Anwendungen in Forschung und Therapie zu ermöglichen. Studie 1 untersuchte, ob tTIS eine neuronale Aktivierung in retinalen Zellen induzieren kann, wobei Phosphene als Marker für die Stimulationswirksamkeit dienten. Obwohl keine Phosphene induziert wurden, lieferte die Studie wertvolle Einblicke in die neuronalen Aktivierungsmöglichkeiten von tTIS und deutete darauf hin, dass die neuronale Modulation ein vielversprechenderer Ansatz sein könnte. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erforschte Studie 2 die Effekte von tTIS bei Alphafrequenzen zur Modulation der Aktivität in parieto-okzipitalen Regionen. Die Ergebnisse zeigten stimulationsspezifische Veränderungen in der ereigniskorrelierten Desynchronisierung (ERD) während einer mentalen Rotationsaufgabe, was auf eine Veränderung von Alpha-Oszillationen während der Aufgabenbearbeitung hindeutet. Bemerkenswerterweise wurde kein Stimulationseffekt auf die Alpha-Aktivität in Ruhe festgestellt, was die Notwendigkeit eines aktiven neuronalen Netzwerks für eine effektive Modulation unterstreicht. Studie 3 adressierte eine zentrale Einschränkung aktueller tTIS-Anwendungen: das Fehlen von Untersuchungen zu Stimulationsintensitäten über 2 mA hinaus, was die Wirksamkeit einschränken könnte. Um diese Limitierung zu überwinden, untersuchte die Studie höhere Stimulationsintensitäten für den menschlichen Gebrauch und zeigte, dass bis zu 4 mA sicher und komfortabel verabreicht werden können. Zusammenfassend etabliert diese Dissertation tTIS als eine vielversprechende Technik für die nicht- invasive Hirnstimulation, die in der Lage ist, die Aktivität in aktiven neuronalen Netzwerken zu modulieren. Diese Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für zukünftige Forschung und potenzielle klinische Anwendungen und ebnen den Weg für fortschrittliche neurotherapeutische Interventionen.