Direktor Univ.-Prof. Dr. Med. Klaus Hahnenkamp) Der Medizinischen Fakultät Der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Aus der Klinik für Anästhesiologie, Intensivmedizin, Notfallmedizin und Schmerzmedizin (Direktor Univ.-Prof. Dr. med. Klaus Hahnenkamp) der medizinischen Fakultät der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Thema: Untersuchungen zum Einfluss der transkutanen aurikulären elektrischen Ohrstimulation auf experimentell induzierten Schmerz

Inaugural – Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Medizin (Dr. med.)

der Universitätsmedizin der

Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald 2016

vorgelegt von: René Laqua geb. am: 01.04.1984 in: Neuruppin

Dekan: Prof. Dr. rer. nat. Max P. Baur 1. Gutachter: Prof. Dr. med. Taras Usichenko 2. Gutachter: Prof. Dr. rer. medic. Hans-Joachim Hannich Ort, Raum: Greifswald, Walther-Rathenau-Str. 46, 6. Stock Tag der Disputation: 17.02.2017

Meiner Mutter in besonderer Dankbarkeit gewidmet.

3 Inhaltsverzeichnis

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ...... 5 ZUSAMMENFASSUNG ...... 6 1 EINLEITUNG ...... 7 1.1 DER VAGUSNERV ...... 7 1.2 VAGUSNERVSTIMULATION ...... 7 1.3 TRANSAURIKULÄRE VAGUSNERVSTIMULATION (TVNS) ...... 8 1.4 WIRKMECHANISMUS DER TVNS ...... 9 1.5 WIRKSAMKEIT DER TVNS ...... 10 1.6 ZIELE ...... 11 2 MATERIAL UND METHODEN ...... 13 2.1 DESIGN UND TEILNEHMER ...... 13 2.2 ELEKTRISCHE SCHMERZSCHWELLENBESTIMMUNG ...... 13 2.3 TRANSKUTANE VAGUSNERVSTIMULATION (TVNS) ...... 15 2.4 THERMISCHE SCHMERZSCHWELLENBESTIMMUNG ...... 15 2.5 MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE (MRT) ...... 16 2.6 THERMISCHE STIMULATION ...... 17 2.7 STUDIENABLAUF ...... 17 2.7.1 Erste Studie ...... 17 2.7.2 Zweite Studie ...... 18 2.8 STUDIENENDPUNKTE UND STATISTISCHE AUSWERTUNG ...... 19 2.8.1 Erste Studie ...... 19 2.8.2 Zweite Studie ...... 19 3 ERGEBNISSE ...... 21 3.1 ERSTE STUDIE ...... 21 3.2 ZWEITE STUDIE ...... 21 3.2.1 Schmerzschwellen ...... 21 3.2.2 fMRT-Signalveränderungen ...... 22 3.2.3 tVNS Responder ...... 22 4 DISKUSSION ...... 24 5 ZUSAMMENFASSUNG ...... 28 6 LITERATUR ...... 29

4 Abkürzungsverzeichnis

ACC Anterior cingulate cortex (anteriorer Gyrus cinguli) AC-PC Anteriores Cingulum – posteriores Cingulum ANOVA Analysis of variance = Varianzanalyse BOLD Blood Oxygen Level Dependent EEG Elektroenzephalografie EPI Echo-planar imaging FDA Food and Drug Administration (Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelzulassungsbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika) Hz Hertz mA Milliampere ms Millisekunden N. Nervus (Nerv) Ncl. Nucleus (Hirnnervenkern) PAG Periaquäduktales Grau PFC Präfrontaler Kortex QST Quantitative sensory testing (quantitative sensorische Testung) ROI Region of interest (Interessenregion) TENS Transkutane elektrische Nervenstimulation TTL Transmission through light (Übertragung durch Lichtsignale) tVNS Transkutane (aurikuläre) Vagusnervstimulation vmPFC Ventromedialer präfrontaler Kortex VNS Vagusnervstimulation

5 Zusammenfassung

Die transkutane Vagusnervstimulation (tVNS) findet als Methode zur Schmerzlinderung zunehmend mehr Beachtung, allerdings ist der zugrunde liegende Wirkmechanismus noch weitgehend unklar. Das Ziel dieser Dissertation war es daher, die potentiellen hypoalgetischen Effekte der tVNS in einer Kohorte aus gesunden Probanden zu untersuchen und anschließend mittels funktioneller Bildgebung den zerebralen Wirkmechanismus zu erforschen. Für die Studien wurden junge, gesunde, rechtshändige Probanden ausgewählt. Experimentelle elektrische oder thermische Schmerzen wurden mittels eines zertifizierten Schmerzgenerators am rechten Mittelfinger oder am Unterarm zugefügt. Für die tVNS fanden TENS-Geräte Verwendung. In einem Cross-Over-Design wurde die Reaktion der Probanden auf tVNS- und Placebo-Anwendung untersucht. Die Analyse der erhobenen Daten zeigte ein unterschiedliches Verhalten der Probanden auf tVNS. Während einige Probanden mit der erwarteten Hypoalgesie reagierten (Responder), zeigten Andere eine Hyperalgesie (Non-Responder). Unter Placebo- Bedingungen unterschieden sich die Probanden nicht. Die Vitalparameter, wie Blutdruck und Herzfrequenz, änderten sich während der gesamten Untersuchung nicht signifikant. Die Gruppenanalyse der zerebralen Antwort ergab keine signifikanten Ergebnisse. Erst nach Selektion der Responder (8/20 Probanden) zeigte sich unter tVNS eine reduzierte Aktivität in Arealen der affektiven Schmerzverarbeitung. Die Existenz von Respondern und Non-Respondern auf tVNS ist eine plausible Erklärung für die widersprüchlichen Ergebnisse in den vorausgegangenen experimentellen und klinischen Studien. Aufgrund von anatomischen Voraussetzungen der Methode ist eine reduzierte Wirkung, z.B. bei abweichender Innervation des Ohres oder unterschiedlicher Ausgangsaktivierung des Vagusnerven, möglich. Das nächste Ziel sollte daher sein, die Responder der Methode bereits vor der Behandlung zu ermitteln.

6 1 Einleitung

1.1 Der Vagusnerv Insgesamt gibt es 12 Hirnnerven, welche nach Reihenfolge des Austritts aus dem Gehirn nummeriert werden. Der Vagusnerv ist der 10. Hirnnerv. Dieser bildet eine Ausnahme, da sich sein Versorgungsgebiet nicht auf den Kopf-Hals-Bereich beschränkt ist sondern sich bis in den Brust- und Bauchraum erstreckt (Trepel 2015). Sein Name leitet sich vom lateinischen vagare (herumschweifen) ab (PONS-Verlag) und weist auf sein großes Verbreitungsgebiet hin.

1.2 Vagusnervstimulation Bereits seit dem späten 19. Jahrhundert wird die Vagusnervstimulation (VNS) als medizinische Behandlungsmethode eingesetzt. So übte beispielsweise der New Yorker Neurologe James Leonard Corning (1855-1923) manuellen Druck auf den am Hals gelegenen Karotissinus aus um Krampfanfälle zu unterbrechen, ohne zu wissen, dass er dabei den zervikalen Anteil des Vagusnerven reizte (Lanska 2002). Er entwickelte zudem eine Technik für die elektrische transkutane Vagusnervstimulation, welche jedoch unter den Neurologen seiner Zeit nicht viel Beachtung fand und bereits im späten 19. Jahrhundert wieder vollständig in Vergessenheit geriet. Die erste elektrische VNS zur Behandlung von Epilepsie wurde laut historischen Quellen 1988 vom Neurophysiologen Jacob Zabara durchgeführt (Ben-Menachem 1996). Weniger als 10 Jahre später, im Jahr 1997, bekam die medizinische Firma „Cyberonics“ als erste die Zulassung für ihren kommerziellen, implantierbaren Vagusnerv-Stimulator von der Lebensmittel- überwachungs- und Arzneimittelzulassungsbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika (FDA) (Karceski und Schachter 2016). Der zugrunde liegende Mechanismus war zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig geklärt. Die Reizung des linksseitigen Vagusnerven am Hals wurde durch eine um den Nerven geschlungene Elektrode mit geringer Stromstärke zwischen 0,25 und 3 Milliampere (mA) durchgeführt. Mittlerweile ist die Vagusnervstimulation durch implantierte VNS-Geräte eine von der FDA zugelassene, unterstützende Therapie für fokale Epilepsie und wird auch in der Behandlung von therapieresistenten Depressionen eingesetzt. Der Einsatz bei anderen Erkrankungen wie Angststörungen, Alzheimer oder chronischen Schmerzen wird noch erforscht (Groves und Brown 2005). 7 1.3 Transaurikuläre Vagusnervstimulation (tVNS) Die nicht invasive elektrische transaurikuläre VNS (tVNS) entstand aus der Idee die typischen Operationsprobleme bei der Stimulatorimplantation, dem Batteriewechsel oder einer Fehlfunktionen des Gerätes zu vermeiden (Ventureyra 2000; Ben-Menachem et al. 2015). Außerdem sollen Nebenwirkung wie Heiserkeit oder Schluckbeschwerden vermieden werden, die durch die Lage der Stimulationselektroden am Hals entstehen. Die Methode der tVNS basiert auf anatomischen Daten der afferenten Nervenversorgung der Haut des Außenohres. Der äußere Gehörkanal und die Concha der Ohrmuschel werden zu 100% durch den Ramus auricularis des Vagusnerven versorgt (siehe Abbildung 1B) (Peuker und Filler 2002).

Abbildung 1 - Innervationsgebiete der Ohrmuschel: (A) N. auriculotemporalis, (B) Ramus auricularis nervi vagi, (C) N. auricularis magnus. Das schwarze X markiert die Concha auricularis.

Im Tiermodell konnte bereits gezeigt werden, dass die elektrische Stimulation dieser Areale kardiovaskuläre und gastrische Effekte erzielt, welche sich mittels Blockade der vagalen Übertragung durch den muscarinen Rezeptorblocker Atropin neutralisieren lassen (Gao et al. 2008; Gao et al. 2011). Da der Vagusnerv nicht direkt, sondern indirekt durch die Haut gereizt wird, werden Stromstärken von bis zu 10 mA benötigt. Diese verursachen jedoch lediglich ein Kribbeln oder leichte nadelstichartige Empfindungen. Diese Empfindungen werden gut toleriert und sind bereits nach kurzer Zeit nicht mehr zu bemerken. Die optimalen Parameter für Frequenz, Impulsdauer und Dauer der Stimulation sind bis heute nicht durch Studien belegt worden. Für Studien werden deshalb diverse TENS-Geräte verwendet. Die einzige Konstante in diesem Bereich ist das tVNS-Gerät von der Firma „Cerbomed“ (Erlangen, Deutschland), welches seit seiner europäischen Zulassung zur Behandlung von Epilepsie sowie Depressionen und Schmerz immer häufiger verwendet wird. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass eine

8 durchgeführte Literaturrecherche ein breites Spektrum von verwendeten Frequenzen (zwischen 2 und 299 Hz), Impulsdauer (zwischen 20 – 500 ms), eine Stimulation von einem oder beiden Ohren und variierende Dauer der kontinuierlichen Stimulation (von 15 Minuten bis 3 Stunden) aufzeigt (siehe Tabelle 1). Erschwerend kommt hinzu, dass die uns vorliegenden TENS-Geräte nach interner Prüfung nicht immer die angegebenen Stimulationsparameter ausgeben. Nicht einmal die Frage, ob nur ein Ohr oder beide Ohren stimuliert werden sollten, ist geklärt.

Tabelle 1 - Literaturübersicht über elektrische aurikuläre Manipulation zur Aktivierung des Vagusnervens

Autoren; Jahr tVNS-Gerät Stimulationsseite Frequenz Stromstärke / Intensität Dauer T. Kitade; American EAG beidseits 3Hz 'Spike-waves' stark aber angenehm 50 min Journal of Chinese Medicine 1979 A.C. Oliveri; Physical Staodyn Insight k.A 100Hz stark aber angenehm 90 sec Therapy 1985 Stimulator M.I. Johnson et al; Pain Microtens (Modell beidseits "Burst-Mode" stark aber angenehm 15 min 1991 7757) 2,3Hz - 100Hz M.S. Simmons et al.; Stim Flex 400 links k.A. k.A. 15min Americ. Dental Society of (Electro Medical Anestesiology 1993 Inc.) A.V. Zamotrinsky et al.; impulse current beidseits k.A. k.A. 10 x 15min Autonomic Neuroscience generator für 10 Tage 2001 R. Greif; Anesthesiology TNS-SM 2L beidseits 299Hz (dominate 10 mA k.A. 2002 Stimulator (Schwa- Seite), 149Hz medico) (contralateral) T. Nihashi et al.; k.A. links 2 Hz 4-9 mA k.A. NeuroImage 2002 A.J. Fallgatter et al.; k.A, rechts k.A. 8 mA k.A. International Journal of Psychophysiology 2005 A. Michalek-Sauberer et P-Stim k.A. 2Hz & 100Hz alle k.A. 3h aktiv, 3h al; Ambulatory Anesthesia 3s abwechselnd pause (48h 2007 insg.) T. Polak et al.; Journal of k.A. k.A. k.A. 8 mA k.A. Neural Transmission 2007 T. Kraus et al.; Journal of EMP2 Expert links 8 Hz 4-5 mA 3 x 30 sec Neural Transmission 2007 (schwa-medico) Stefan Dietrich et al.; tVNS Stimulator links 25Hz 4-8 mA 4 x 50 sec Biomed Tech 2008 k.A.= keine Angaben

1.4 Wirkmechanismus der tVNS Die Hypothesen zum Wirkmechanismus fundieren auf neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen der Schmerzforschung, anatomischen Grundlagen und Fallberichten. Die enge Assoziation des Vagusnervens mit seinem aurikulären Innervationsgebiet zeigen • Fallberichte mit einer isolierten Vagusnerv-Parese bei Herpes zoster der Ohrmuschel,

9 • aurikuläre Synkopen ausgelöst durch einen hyperreaktiven Vagusnerven, • Otodynie durch z.B. Vagusnerv-infiltrierende Lungentumore und • dem Ohr-Hustenreflex, welcher sich bei ca. 4% der Bevölkerung auslösen lässt (Ellrich 2011). Durch bildgebende Studien (Ziv et al. 2010; Brown et al. 2011; Friebel et al. 2011) konnte bereits ein ganzes Netzwerk von Hirnarealen identifiziert werden, welches konsistent bei schmerzhaften Reizen aktiviert wird. Dazu gehören unter anderem der rostrale Anteil des anterioren Gyrus cinguli (ACC), der somatosensorische Kortex, die Insel, die Amygdala, der Thalamus und das periaquäduktale Grau (PAG). Ossipov und Kollegen beschreiben ein endogenes, schmerzlinderndes System, welches Schmerzreize bereits auf Ebene des Myelons abschwächt. Dieses System besteht aus absteigenden (top-down) modulatorischen Bahnen, deren Reize (Input) von multiplen zentralen Regionen wie z.B. dem Hypothalamus, der Amygdala oder dem rostralen ACC entspringen und über das PAG in das Myelon projiziert werden (Output). Direkt oder indirekt nehmen diese Einfluss auf den Schmerzreiz und können somit das Schmerzempfinden beeinflussen (Ossipov et al. 2010). Eine Verbindung zu den myelinisierten, afferenten Aβ-Fasern des aurikulären Vagusnervastes besteht über den Ncl. tractus solitarius, von dem aus Verbindungen zu den schmerzverarbeitenden Hirnarealen, z.B. dem Locus coeruleus, dem PAG, dem Hypothalamus, der Amygdala, dem Thalamus, der Insel oder dem ACC bestehen (Ellrich 2011). Unabhängig voneinander zeigten Dietrich et al. und Frangos et al., dass eine signifikante Aktivierung von „klassischen“ zentralen vagalen Projektionen in den Ncl. tractus solitarius, spinalen Ncl. trigeminus, dorsalen Raphekerne, Locus coeruleus, Amygdala und Ncl. accumbens analog zur invasiven Vagusstimulation möglich ist (Dietrich et al. 2008; Frangos et al. 2015).

1.5 Wirksamkeit der tVNS Bereits publizierte experimentelle Studien an gesunden Probanden zeigen eine Reduktion von elektrisch (Oliveri et al. 1986; Krause et al. 1987; Noling et al. 1988; Lein et al. 1989) sowie mechanisch und thermisch verursachten Schmerzen (Busch et al. 2012) durch die tVNS. Zusätzlich konnten Pilotstudien an Patienten bereits Indizien für eine Anfallsreduktion bei pharmakotherapieresistenter Epilepsie (Stefan et al. 2012; He et al. 2013; Rong et al. 2014), eine stimmungsaufhellende Wirkung (Kraus et al. 2007;

10 Hein et al. 2013) und schmerzlindernde Effekte aufzeigen (Lewis et al. 1990; Greif et al. 2002; Tsang et al. 2011; Napadow et al. 2012). Doch es existieren auch widersprüchliche Ergebnisse. So konnte die Arbeitsgruppe um Johnson zum Beispiel nicht den analgetischen Effekt bei experimentellen elektrischen Schmerzen bestätigen (Johnson et al. 1991). Melzack und Katz fanden keinen analgetischen Effekt bei chronischen Schmerzpatienten (Melzack und Katz 1984). Longobardi hatte keinen Erfolg bei der Linderung von Gelenkschmerzen der oberen oder unteren Extremität (Longobardi et al. 1989). Studien zur Kartierung von bei tVNS beteiligten Hirnarealen haben bereits die Involvierung des Tractus solitarius und des Locus coeruleus mit Lage im Hirnstamm bestätigt (Dietrich et al. 2008; Kraus et al. 2013). Diese sind als Teil des subkortikalen anti-nozizeptiven neuralen Netzwerkes bekannt (Randich et al. 1990). Der Tractus solitarius hat Projektionen zur rostro-ventromedialen Medulla, dem PAG, dem Locus coeruleus, dem Hypothalamus und dem limbischen Vorderhirn. Diese Projektionen steuern die Erregung und die Schmerzwahrnehmung (Ossipov et al. 2010; Rinaman 2010). Es konnte gezeigt werden, dass eine Stimulation der Vorderwand des äußeren Gehörganges in einem Abfall des funktionalen Magnetresonanz (fMRT)-Signales in den limbischen Hirnarealen einschließlich der Amygdala, dem Hippocampus, dem Parahippocampus und dem hinteren Cingulum resultiert (Kraus et al. 2007; Dietrich et al. 2008; Kraus et al. 2013). Diese Funde lassen vermuten, dass die tVNS die Regulation von emotionalen und autonomischen Komponenten der zerebralen Schmerz- verarbeitung beeinflusst (Kraus et al. 2007; Dietrich et al. 2008; Kraus et al. 2013).

1.6 Ziele Da die Effekte der tVNS in experimentellen Studien noch widersprüchlich sind, war es zunächst das Ziel, die analgetischen Effekte der tVNS mittels robuster und bereits validierter Methode zur Schmerzmessung an gesunden Probanden zu untersuchen und gegenüber Placebo zu vergleichen. Darüber hinaus sollte die Reaktion von gesunden Probanden auf experimentellen thermischen Schmerz und ihre zerebrale fMRT-Antwort unter tVNS im Vergleich mit Placebo-Intervention verglichen werden. Es wurde dabei erwartet, dass tVNS bei gesunden Probanden die thermische Schmerzschwelle anhebt und die neurologische

11 Aktivität in Arealen der zerebralen Schmerzverarbeitung senkt. Des Weiteren wurde eine Modulation von Hirnarealen erwartet, welche vegetative Signale verarbeiten.

12 2 Material und Methoden

2.1 Design und Teilnehmer Im Anschluss werden zwei nacheinander durchgeführte Studien beschrieben. Die erste Studie untersucht die tVNS-Effekte auf experimentelle Schmerzen mittels des „Neurotron“-Messsystems. Die zweite Studie hingegen konzentriert sich auf die Untersuchung von zerebralen Effekten mittels funktioneller Bildgebung. Beide Studien wurden von der Ethikkommission der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald genehmigt. Die Studienteilnehmer wurden mündlich sowie schriftlich aufgeklärt und gaben vor Studienbeginn ihr schriftliches Einverständnis. Nur die Teilnehmer der zweiten Studie erhielten eine finanzielle Entschädigung. Die Einschlusskriterien beider Studien beinhalteten junge Probanden zwischen dem 18. und 25. Lebensjahr. In der ersten Studie waren nur Männer zugelassen, in der Zweiten hingegen Männer und Frauen. Hauterkrankungen an den Händen oder den Ohren, psychiatrische Grunderkrankungen sowie die Einnahme von Schmerzmedikamenten waren Ausschlusskriterien für beide Studien. Aufgrund von MRT-Sicherheits- bestimmungen wurden von der zweiten Studie zusätzlich Personen mit Klaustrophobie, Tattoos, Zahnspangen, nicht entfernbaren Piercings oder Schwangerschaft ausgeschlossen. In die erste Studie wurden 22 gesunde, männliche Probanden und in die zweite Studie wurden 20 gesunde Probanden (davon 9 Frauen) eingeschlossen. Es wurde jeweils ein Crossover-Design angewandt, in dem die Wirkung von tVNS gegen Placebo verglichen wurde. Die beiden Untersuchungen jedes Probanden fanden in einem Abstand von mindestens sieben Tagen statt, um eventuelle Langzeitwirkungen der tVNS auszuschließen.

2.2 Elektrische Schmerzschwellenbestimmung Zur Bestimmung der individuellen Schmerzschwelle, d.h. dem Punkt, an dem eine Empfindung in Schmerz übergeht, wurde eine bereits validierte Methode genutzt (Masson et al. 1989). Dafür wurde dem Probanden zunächst, mittels einer Reinigungspaste, die Haut über dem distalen Interphalangealgelenk des linken Mittelfingers gereinigt, um den Hautwiderstand zu senken. Anschließend wurden links

13 und rechts am Gelenk Goldelektroden angebracht, durch die ein Strom floss. Dieser Stromfluss erzeugte Schmerzen. In der rechten Hand hielt der Proband ein Bedienungs- element mit einem Knopf (Abbildung 2). Der elektrische Schmerzstimulator (Neurometer, Neurotron Inc., Baltimore, USA) wurde im Programmmodus „Current Perception Threshold“ verwendet: Für die Erhebung eines Messwertes wurde der Strom von der Maschine von 0,001 mA stufenweise bis auf maximal 9,99 mA erhöht, solange die Probanden den Knopf des Bedienungselementes gedrückt hielten. Die Probanden wurden angewiesen, den Knopf loszulassen, sobald sie einen Schmerz verspürten. Für die Ermittlung der Schmerzschwelle wurden fünf Messwerte erhoben und gemittelt. Bei den wiederholten Messungen sollte die selbe Empfindung verspürt worden sein. Auf einem für den Probanden nicht einsehbarem Display erschien die Intensität zum Zeitpunkt der Unterbrechung. Diese wurde notiert und nach 30 Sekunden Pause begann ein neuer Durchlauf.

Abbildung 2 - Versuchsaufbau Studie 1 – Die Abbildung zeigt das Neurometer-Gerät mit Bedienelement und der Stimulationselektrode am linken Mittelfinger sowie das TENS-Gerät mit bilateraler Elektrodenlage an der Ohrmuschel.

14 2.3 Transkutane Vagusnervstimulation (tVNS) Die transkutane Stimulation erfolgte mittels bipolarer Silberelektroden an beiden Ohren. Um den Hautwiderstand zu senken und eine gute Stromleitung zu garantieren, wurden die Ohren mittels alkoholgetränktem Tupfer durch den Untersucher gereinigt. In der ersten Studie wurde das TENS-Gerät (TNS SM 2 MF, Schwa-Medico GmbH, Germany) im Burst-Modus verwendet. In diesem wechselte die Frequenz zwischen 2 Hz und 100 Hz. Die Impulsdauer betrug 200 ms. Die Intensität (mA) wurde seitenunabhängig individuell für jeden Probanden auf eine maximale, aber nicht schmerzhafte Stärke eingestellt. Handelsübliche EEG-Elektroden mit einem Durchmesser von 1 cm wurden jeweils in der Concha (Kathode) und im Bereich des Processus mastoideus (Anode) befestigt. In der zweiten Studie wurde das TENS-Gerät (DoloBravo Dual Channel Neurostimulator, MTR GmbH, Germany) mit einer fixen Frequenz von 8 Hz verwendet. Die Impulsdauer betrug 200 ms. Die Intensität (mA) wurde seitenunabhängig auf eine maximale, aber nicht schmerzhafte Stärke eingestellt. Aufgrund des starken Magnetfeldes musste der Stimulator außerhalb des MRT-Untersuchungsraums stehen. Verwendung fanden selbst konstruierte MRT-taugliche Silberelektroden nach Leutzow et al. (Leutzow et al. 2013), welche sowohl die Anode als auch die Kathode auf einer Gummiisolierung von 9 x 9 x 3 mm unterbringen. So war es möglich, gezielt die Concha auricularis zu stimulieren. Es wurden zwei Konditionen untersucht: Verum und Placebo. In der Verum-Kondition wurde mit den oben beschriebenen Parametern stimuliert. Bei der Placebo-Kondition hingegen wurden die Elektroden zwar platziert und kurzzeitig die Intensität auf ein merkbares Level erhöht, jedoch bereits nach wenigen Sekunden wurde die Intensität wieder auf 0 mA reduziert.

2.4 Thermische Schmerzschwellenbestimmung Hierfür wurde ein Thermostimulator (PATHWAY Model CHEPS; Medoc; Israel) mit Peltier-Elektrode (d= 27 mm) genutzt, welche an der Innenseite des rechten Unterarmes der Probanden befestigt wurde. In die kontralaterale Hand bekamen die Probanden ein Eingabegerät in Form einer Computermaus. Nach dem Starten des Programms „Limits“ (Medoc Ltd. 2010) stieg die Temperatur der Thermode von einem Ausgangswert von 32 °C am Unterarm langsam an bis die Probanden mittels Maus signalisierten, dass sie

15 Schmerzen verspürten. Dann kühlte sich die Thermode wieder auf den Ausgangswert ab. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Thermode erhitzte und wieder abkühlte, betrug 1,5 °C/Sekunde. Nach einer kurzen Pause von 2 Sekunden wurde der Ablauf wiederholt. Insgesamt wurden vier Werte gemittelt, um eine zuverlässige Schmerzschwelle zu erhalten.

2.5 Magnetresonanztomographie (MRT) Bei der Kernspintomographie handelt es sich um ein medizinisches Schnittbildverfahren, welches ohne ionisierende Strahlung Bilder vom Körperinneren erstellen kann. Dazu werden Magnete mit einer hohen Feldstärke benötigt. Meist handelt es sich um 1,5 bis 3 Tesla-Scanner, was zirka einem 50.000-fachen des Erdmagnetfeldes auf Höhe des 60° Breitengrades (58 µT) entspricht (Wikipedia contributors). Ferromagnetische Gegenstände sind deshalb im MRT verboten. Durch den extrem guten Weichteilkontrast, welcher durch den unterschiedlichen Wassergehalt der Gewebe entsteht, lassen sich hochaufgelöste anatomische Bilder vom Gehirn darstellen. Das Gerät ist sogar so sensibel, dass es bereits geringe Änderungen in der Oxygenierung des Blutes sichtbar machen kann. Dies kann dazu genutzt werden, Rückschlüsse auf die Funktionsweise des Gehirns zu ziehen (Raichle 1998). Dabei nutzt man die Tatsache, dass Hirnareale, die vermehrt beansprucht werden, auch mehr Sauerstoff verbrauchen (BOLD-Effekt). Da es während der Untersuchung sehr laut wird, tragen die Untersuchten Kopfhörer. Um sich im Notfall trotzdem verständlich machen zu können, bekommen sie eine Notklingel in die Hand. In der 2. Studie wurde ein 3 Tesla-Scanner (Siemens Verio, Erlangen, Germany) zusammen mit einer 12-Kanal-Kopfspule benutzt. Zuerst wurde eine hochauflösende sagittale T1-gewichtete Sequenz aufgenommen (Voxelgröße 1 x 1 x 1 mm). Anschließend wurde eine GRE-Sequenz für die spätere Behebung der Feldinhomo- genitäten erhoben. Die eigentlichen funktionellen Aufnahmen (axiale EPI-Sequenz mit AC-PC-Ausrichtung und einer Voxelgröße von 2 x 2 x 3 mm) umfasste 192 Aufnahmen (volumes) pro Messung (Verum/Placebo). Die funktionelle Untersuchung erfolgte in einem Blockdesign. Dabei wechselten sich Blöcke mit Stimulation und Ruhe ab. Es wurden 8 Blöcke à 48 Sekunden (16 s Stimulation und 32 s Pause) verwendet.

16 2.6 Thermische Stimulation Die thermische Stimulation fand zeitgleich mit den funktionellen Aufnahmen des MRTs statt. Die nötige Synchronisation erfolgte über eine direkte Kabelverbindung. Der Thermostimulator (PATHWAY Model CHEPS; Medoc; Israel) wurde im Paradigma „ramp and hold“ (Medoc Ltd. 2010) verwendet und die Thermode befand sich weiterhin an der Innenseite des rechten Unterarms des Probanden. Während der thermischen Stimulation oszillierte die Temperatur zwischen der Ausgangstemperatur von 32 °C und der individuellen thermischen Schmerzschwelle der Probanden. Die Änderungen der Stimulationstemperatur fanden mit 5 °C/Sekunde statt.

2.7 Studienablauf

2.7.1 Erste Studie

Während der ersten Studie nahmen die Probanden in einer bequemen Sitzposition Platz (siehe Abbildung 2). Anschließend wurde ihnen der Ablauf der Untersuchung erklärt. Während dieser Zeit (ca. 10 Minuten) konnten die Probanden zur Ruhe kommen. Dann wurden die Elektroden für die tVNS an den Ohren und die Elektroden für die elektrische Schmerzstimulation am linken Mittelfinger angebracht. In die rechte Hand bekamen die Probanden die Steuerungseinheit zum Starten der Messung. Zusätzlich wurden Vitalparameter wie Blutdruck und Herzfrequenz mittels Pulsoxymeter und Blutdruckmanschette überwacht. Bei jedem Probanden wurde die Schmerzschwelle zu Beginn der Untersuchung (Baseline), nach 15 und 30 min tVNS sowie 10 und 30 min nach dem Ende der tVNS erhoben (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 - Zeitlicher Ablauf der ersten Studie

17 Während der Verum-Session war die tVNS nach der Baseline-Schmerzschwellenmessung für 30 Minuten aktiviert. Bei der Placebo-Session wurde die Stimulation nur für ca. 10 Sekunden aktiviert, um den Probanden das Gefühl zu vermitteln, dass die Elektroden richtig sitzen. Die Probanden wurden informiert, dass an den beiden Untersuch- ungstagen mit unterschiedlicher Intensität stimuliert wird. Sie waren jedoch dahin- gehend verblindet, als dass sie nicht wussten, dass an einem Tag überhaupt nicht stimuliert wurde (Placebo-Session). Die Placebo-Session und die Verum-Session fanden an unterschiedlichen Tagen mit einem Abstand von mindestens einer Woche statt, um eventuelle Langzeiteffekte der tVNS auszuschließen.

2.7.2 Zweite Studie

Die zweite Studie fand komplett im MRT statt, nur die Aufklärung erfolgte außerhalb des Scanners. Die Patienten lagen dabei mit dem Rücken auf dem MRT-Untersuchungstisch. Auf der Innenseite des rechten Unterarmes wurde ihnen eine Thermode mittels eines Klettverschlusses angelegt (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4 - Versuchsaufbau Studie 2. Die Probanden liegen im MRT-Gerät. Die Stimulationselektroden für die tVNS sind an beiden Ohren und die Thermode für die thermische Stimulation ist am rechten Unterarm befestigt.

18 Jeweils vor und nach der fMRT-Untersuchung wurde die thermische Schmerzschwelle bestimmt. Anschließend wurden die Ohrelektroden für die tVNS angebracht und die MRT-Untersuchung begann. Die reine Untersuchungszeit betrug 12 Minuten und 14 Sekunden. Der Ablauf kann dem Zeitdiagramm in Abbildung 5 entnommen werden.

Abbildung 5 - Zeitlicher Ablauf der zweiten Studie

2.8 Studienendpunkte und statistische Auswertung

2.8.1 Erste Studie

Das Ziel dieser Studie war es, die Veränderung der Schmerzschwelle unter tVNS zu untersuchen. Die Schmerzschwellen, die Herzfrequenz und der Blutdruck wurden jeweils 5x während jeden Studientages gemessen. Die Analyse von Messwiederholungen erfolgte mittels zweifaktorieller Varianzanalyse (ANOVA): Gruppe (Verum oder Placebo) und Zeit (5 Zeitpunkte). Die Ergebnisse wurden mittels Bonferroni-korrigiertem, gepaartem T- Test verglichen. Alle p-Werte kleiner als 0,05 wurden als signifikant betrachtet.

2.8.2 Zweite Studie

Das Ziel dieser Studie war es, die Veränderungen der Hirnaktivität unter experimentellem, thermischem Schmerz bei der Applikation von tVNS zu untersuchen. Die Auswertung der funktionellen MRT-Daten erfolgte mittels SPM8 (Wellcome Department of Imaging Neuroscience, London), welches in MATLAB implementiert wurde (MathWorks Inc., Natick, MA). Jede Bildserie wurde bezüglich Bewegungs- und Suszeptibilitätsartefakten korrigiert. Die EPI-Daten wurden zur anatomischen T1-Sequenz koregistriert und anschließend

19 segmentiert, normalisiert und geglättet (Gauss-Filter 8 x 8 x 8 mm3). Die Daten jedes Probanden wurden individuell mittels des allgemeinen linearen Modells (ALM) untersucht. Es wurde eine Design-Matrix mittels kanonischer, hämodynamischer Response-Funktion erstellt. Kontraste von jedem Teilnehmer wurden für die Gruppenstatistik nach dem Zufallseffekt-Modell ausgewertet. Die Interessen-Regionen- Analyse (ROI-Analyse) wurde für multiple Vergleiche korrigiert (FWE-Korrektur). Als Interessen-Regionen wurden vorbeschriebene Hirnareale verwendet, welche in der thermalen Schmerzverarbeitung involviert sind (Ziv et al. 2010; Brown et al. 2011; Friebel et al. 2011) oder deren Aktivierung mit vegetativer Stimulation assoziiert ist (Becerra et al. 1999; Dietrich et al. 2008; Freund et al. 2009; Rinaman 2010; Kraus et al. 2013). Für die anatomische Beschreibung und Definition der Interessenregionen wurde der Automated Anatomical Labeling Atlas verwendet (Tzourio-Mazoyer et al. 2002). Die Interessenregion des Hypothalamus wurde wie vorbeschrieben als zentrierte 5 mm Kugel bei den Koordinaten [x = 10, y = 0, z = -4] definiert (Kroemer et al. 2013). Um Assoziationen zwischen fMRT-Aktivierungen und Schmerzschwellen-Änderungen zu untersuchen, wurden die höchsten Beta-Werte jeder Interessenregion verwendet. Eine lineare Regressionsanalyse wurde für die fMRT-Aktivierungen für jede Kondition (tVNS oder Placebo) und jeden Teilnehmer durchgeführt, jeweils mit Schmerzschwelle vor und nach jeder MRT-Untersuchung als Faktor. Analog zur 1. Studie wurden die Differenzen der thermischen Schmerzschwelle untersucht. Die Analyse von Messwiederholungen erfolgte mittels zweifaktorieller Varianzanalyse (ANOVA): Gruppe (Verum oder Placebo) und Zeit (vor und nach Intervention). Alle p-Werte kleiner als 0,05 wurden als signifikant betrachtet.

20 3 Ergebnisse

3.1 Erste Studie Ein Proband erlitt eine Synkope mit Bradykardie und niedrigem Blutdruck und wurde deshalb ausgeschlossen. Die restlichen 21 männlichen Probanden (mittleres Alter 25 Jahre) zeigten weder während tVNS- noch unter Placebo-Behandlung eine signifikante Änderung der Schmerzschwelle. Insgesamt 15 Probanden reagierten mit einem Anstieg der Schmerzschwelle nach tVNS, jedoch nicht unter Placebo-Behandlung. Die restlichen sechs Probanden reagierten mit einem Abfall der Schmerzschwelle unter tVNS, aber nicht unter Placebo-Behandlung (siehe Abbildung 6). Die Herzfrequenz und der Blutdruck waren während der gesamten Untersuchung unverändert.

Abbildung 6 - Ergebnisse Studie 1 – Absolute Veränderungen der gemessenen Schmerzschwelle vom Ausgangswert (Baseline). Die Daten sind als Mittelwerte ± Standardfehler angegeben. (A) 15 Teilnehmer reagierten mit einer Erhöhung der Schmerzschwellung unter tVNS (*p < 0,01) (B) 6 Teilnehmer reagierten während tVNS mit einer Erniedrigung der Schmerzschwelle, welche auch nach Stimulation anhielt (*p < 0,05).

3.2 Zweite Studie

3.2.1 Schmerzschwellen

Die Studie wurde von allen 20 Probanden abgeschlossen. Die mittlere tVNS-Intensität betrug 7,6 mA (5,0 bis 11,5 mA). Die Gruppenanalyse (ANOVA) zeigte unter den Probanden weder für Zeit noch für die Intervention signifikante Unterschiede. Acht Teilnehmer reagierten mit einer Erhöhung der Schmerzschwelle, jedoch nur nach tVNS,

21 nicht nach Placebo (Responder). Hingegen reagierten die restlichen 12 Probanden mit einer Absenkung der Schmerzschwelle nach tVNS (Non-Responder), siehe Abbildung 8A.

3.2.2 fMRT-Signalveränderungen

Während der Hitzestimulation am rechten Unterarm unter Placebo-Kondition gab es eine Signalerhöhung in der linken vorderen Insel, der rechten hinteren Insel, dem rechten Thalamus und dem anterioren Cingulum (ACC) (siehe Abbildung 7). Bei Hitzestimulation unter tVNS zeigte sich eine Aktivierung der linken vorderen Insel, der hinteren Insel beidseits, des rechten orbito-frontalen Kortex und des rechten Ncl. caudatus. tVNS reduzierte die Aktivität im ACC während thermischer Stimulation vs. Placebo in allen Teilnehmern. Die Signalveränderungen in der Aktivität für die hintere rechte Insel waren positiv mit Veränderungen der Schmerzschwelle assoziiert.

Abbildung 7 – Ergebnisse der Gruppen-basierten Analyse der Placebo-Kondition (nur thermischer Schmerz, n=20) zeigen eine Aktivierung im orbitofrontalem Kortex (OFC), in den anterioren Insulae (IN), den Thalami (THA) und im anterioren Gyrus cinguli (ACC).

3.2.3 tVNS Responder

Die acht Probanden, welche mit einer Erhöhung der Schmerzschwelle unter tVNS reagierten, zeigten ein erniedrigtes fMRT-Signal im Vergleich zur Placebo-Stimulation im rechten Ncl. caudatus, dem ventromedialen präfrontalen Kortex (vmPFC), der linken vorderen Insel und dem linken Hypothalamus (siehe Abbildung 8 B-D). Die restlichen 12 Probanden, welche eine pro-nozizeptive Wirkung unter tVNS entwickelten, zeigten keine fMRT-Signalveränderungen unter der Studienintervention.

Abbildung 8 – Ergebnisse der Teilnehmer, welche mit einer Erhöhung der Schmerzschwelle reagierten (tVNS- Responder, n=8). A. Differenz der Schmerzschwellen-Temperatur vor und nach Intervention. Ergebnisse in Mittelwerten +- Standardfehler angegeben. * p=0.024, Bonferroni korrigiert. B-D. Im Kontrast „Placebo – Verum“ zeigt sich ein reduziertes fMRT-Signal im linken anterioren Inselkortex (Ant. IC), im Nucleus caudatus (NC), im ventromedialen prefrontalal Kortex (vmPFC) und im Hypothalamus (HT).

23 4 Diskussion

Die Ergebnisse der ersten Studie lassen vermuten, dass tVNS sowohl anti- als auch pro- nozizeptive Effekte bei empfänglichen Probanden auslösen kann. Das kann eine mögliche Erklärung für die widersprüchlichen Ergebnisse der vorangegangen Studien sein. Auch bei Patienten mit implantierten VNS-Stimulator wurden unter Stimulation sowohl ein Anstieg (Kirchner et al. 2000) als auch ein Abfall (Borckardt et al. 2005) der Schmerzschwellen während experimentellen Schmerzes berichtet. Unsere Ergebnisse sind ähnlich denen von Johnson und Kollegen, dessen Arbeitsgruppe aurikuläre tVNS bei experimentellen Schmerzen anwendete und keinen analgetischen Effekt finden konnte. Jedoch zeigten 10 der 18 Teilnehmer seiner Studie einen Anstieg der elektrischen Schmerzschwelle um 30-50%. Die Untersuchung der analgetischen Effekte mittels der quantitativen sensorischen Testung (QST) ergab in zwei aktuellen Studien, dass tVNS anti-nozizeptive Fähigkeiten besitzt. Sie zeigte die Fähigkeit verschiedene Aspekte von experimentell-induziertem Schmerz im Rahmen der QST, bei gesunden Probanden als auch bei chronischen Schmerzpatienten, zu beeinflussen (Busch et al. 2012; Napadow et al. 2012). Wir konnten keine Unterschiede zwischen tVNS- und Placebo-Kondition nachweisen. Dies liegt womöglich an der Unempfindlichkeit der experimentellen Methode, mit der wir die analgetischen Effekte gemessen haben. Die Methode des elektrisch induzierten Schmerzes zeigt robuste Ergebnisse mit geringer Variabilität in der Evaluation von gewöhnlichen analgetischen Medikamenten (Liu et al. 1995). Jedoch könnte sie nicht sensitiv genug sein, um den geringen Effekt der tVNS abzubilden. Die extreme vasovagale Reaktion eines unserer Probanden unterstützt die Hypothese einer individuellen Sensitivität gegenüber tVNS. Dies könnte sich durch periphere (Muster der afferenten vagalen Innervation) und zentrale (Vielzahl der synaptischen Verschaltungen) neuroanatomische Besonderheiten erklären lassen. tVNS-Parameter, wie z.B. die optimale Stimulationsfrequenz für den anti-nozizeptiven Effekt, sind immer noch Gegenstand von Diskussionen. Die aktuell benutzte tVNS- Frequenz von 25-30 Hz wurde niemals für den analgetischen Effekt validiert. Diese Frequenzspanne wurde einst für die direkte zervikale Anwendung (VNS-Stimulation) bestimmt, da sie dem Vagusnerv während der Stimulation zur Behandlung von Epilepsien am wenigsten schadet. Daraufhin erfolgte die Zulassung durch die FDA (Groves und Brown 2005). Für die Stimulation der kutanen aurikulären Afferenzen des

24 Vagusnerven wählten wir als Frequenz 2 Hz und 100 Hz im „Burst“-Modus, welcher bereits zuvor verwandt wurde, um maximale analgetische Effekte während tVNS zu erzielen (Ulett et al. 1998). Bezüglich der Limitierungen dieser Studie sind drei Aspekte für weitere Studien wichtig: 1) Erhebung der quantitativen sensorischen Testung (QST), welche bereits erfolgreich die Effekte nachweisen konnte (Busch et al. 2012; Napadow et al. 2012); 2) Suche nach Biomarkern für Responder und Non-Responder von tVNS, welche mit der vagalen Aktivität assoziiert sein könnten (Lovick 2010); 3) Kontrolle der Probandenverblindung, welche in dieser Studie nicht stattfand, jedoch leicht mittels Frage nach der Meinung der Probanden bezüglich des Ziels der Untersuchung erfolgen kann (Rief und Glombiewski 2012). Für die Auswertung der funktionellen MRT-Daten zur Untersuchung der zerebralen Effekte der tVNS nutzten wir in der 2. Studie eine Interessenregion(ROI)-basierte Statistik. Unsere Ergebnisse zeigten bei jungen gesunden Probanden eine erhöhte neuronale Aktivität in der linken vorderen Insel, in der rechten hinteren Insel, dem rechten Thalamus und dem ACC während thermischer Stimulation. Damit bestätigen wir Ergebnisse der vorausgegangen Studien (Apkarian et al. 2005; Freund et al. 2009; Friebel et al. 2011). Zusätzlich fanden wir eine verringerte fMRT-Aktivierung in dem ACC während thermischer Stimulation unter tVNS. Das Ausmaß der fMRT-Aktivierung der hinteren Insel rechts war mit dem anti-nozizeptiven Effekt der tVNS positiv assoziiert. Jedoch fanden wir keinen anti-nozizeptiven Effekt für die gesamte Gruppe (n=20). Wir fokussierten unsere weitere Auswertung auf Responder, die mit einer erhöhten Schmerzschwelle auf tVNS reagierten und fanden eine Reduktion der fMRT- Aktivierung im rechten Ncl. caudatus, dem vmPFC, der linken vorderen Insel und dem linken Hypothalamus. Der Ncl. caudatus ist verbunden mit präfrontalen Hirnarealen, die funktionell mit verschiedenen kognitiven Prozessen in Verbindung gebracht werden (Alexander et al. 1986; Lehéricy et al. 2004). Zusammen mit dem PFC, dem ACC und der bilateralen Inselrinde ist der Ncl. caudatus in der neuronalen Verarbeitung von experimentellen Schmerzen involviert (Freund et al. 2009). Die tVNS reduzierte die Aktivierung des ACC, welcher zusammen mit dem medialen PFC Teil des medialen (affective-cognitive-evaluative) Schmerzsystems ist. Bei der Investigation von schmerzspezifischer Aktivierung fand man eine linksseitige Aktivierung des ACC zusammen mit anderen Arealen (Sekundärer sensorischer Kortex, mediales Cingulum, inferiorer Frontallappen rechts und Thalamus beidseits), welcher

25 spezifisch für die Verarbeitung eines experimentellen thermischen Schmerzes bei gesunden Probanden ist (Friebel et al. 2011). Der ACC wurde wiederholt mit einer erhöhten Aufmerksamkeit, insbesondere bei emotionalen Stimuli, in Verbindung gebracht (Bush et al. 2000) und ist zusammen mit dem medialen PFC an der elektrodermalen Aktivität während mentaler Anstrengung assoziiert (Naccache et al. 2005). Eine Deaktivierung des ACC während tVNS kommt daher für einen generalisierten verminderten sympathischen Effekt und eine verminderte Aufmerksamkeit bei Erregung von schmerzhaften Stimuli sehr wohl in Frage. Die positive Assoziation zwischen der Aktivierung der hinteren Insel und dem anti- nozizeptiven Effekt der tVNS sind bedingt durch die Funktion der hinteren Insel als thermosensorischer Kortex (Craig et al. 2000). Thermale nozizeptive Stimuli aktivieren die hintere Insel, welche die Intensität und die Lateralisation des Schmerzes verschlüsselt. Durch eine somatotope Anordnung ermöglicht sie außerdem eine ungefähre Lokalisation des Stimulus (Brooks et al. 2002). Unsere Funde lassen sich gut mit der bestehenden Literatur zur Assoziation der thermalen Schmerzintensitäts- empfindung und der Aktivierung der hinteren Insel vereinbaren. Die Abwesenheit eines schmerzreduzierenden Effektes durch die tVNS in unserer Gruppe ist vergleichbar mit früheren Studien, in denen tVNS sowohl anti- als auch pro- nozizeptiven Effekte unter experimentellen Schmerzen bei gesunden Probanden nachgewiesen wurden (Johnson et al. 1991; Kraus et al. 2007). Diese widersprüchlichen Ergebnisse aus experimentellen tVNS-Studien wiederholen die Funde von stattgehabten klinischen Studien bei denen Patienten, mit einem implantierten Vagusnervstimulator, ebenfalls anti- und pro-nozizeptive Reaktionen zeigten (Kirchner et al. 2000). Ein Erklärungsversuch wurde bereits in der ersten Studie gegeben (Laqua et al. 2014) und auf ein mögliches individuellen Ansprechen auf tVNS hingewiesen. Des Weiteren lässt sich die reduzierte neuronale Aktivität im Hypothalamus bei tVNS- Responder mit der neurophysiologischen Hypothese der nicht-invasiven Vagusnerv- stimulation erklären. Eine Konnektivitätsanalyse in einer zukünftigen Studie könnte helfen, die Interaktion zwischen dem Hypothalamus und den Hirnarealen der vorderen Insel, dem Ncl. caudatus und dem PFC zu verstehen. Eine verminderte Aktivierung des vmPFC während tVNS steht in Übereinstimmung mit multiplen Studien, welche vmPFC mit psychophysiologischen Reaktionen und emotionaler Verarbeitung assoziieren (Anders et al. 2004). Eine Erhöhung des vagalen Einflusses vermindert die Stress- und Konflikt-bedingte Aktivierung im vmPFC. Unsere Funde stimmen mit anderen

26 Forschergruppen überein, die über eine reduzierte Aktivität des vmPFC unter systemischer Natrium-Kanal-Blockade mit Lidocain berichten (Seifert et al. 2009). Obwohl die 2. Studie die Stärke eines Cross-over-Designs besitzt, welche einen intraindividuellen psychophysiologischen Vergleich zwischen tVNS und Placebo erlaubt, so fehlt es der Studie an einer hinreichend großen Stichprobe, um das zerebrale Netzwerk mit dem tVNS-Effekt und der Erhöhung der thermalen Schmerzschwelle in allen Details darzustellen. Das Ausmaß der wahren Stimulation der Vagusnerv- Afferenzen ist unbekannt und andere Gruppen haben nahegelegt, dass die Vorderwand des äußeren Gehörganges am effektivsten ist, um Effekte der tVNS zu erzeugen (Kraus et al. 2007; Kraus et al. 2013). Die Einteilung der Probanden in Gruppen (Responder/Non- Responder) erfolgte nachträglich nach der Datenanalyse der experimentellen thermischen Schmerzschwellen. Die Methode „Limits“, die verwendet wurde um die Schmerzschwelle des thermischen Reizes zu messen, ist eher unsensibel um die Effekte der tVNS zu bestimmen. Für die Messung der anti-nozizeptiven Effekte benötigt es sensiblere Methoden, z.B. so genannte dynamische Methoden der Schmerzmessung (Grosen et al. 2013). Es könnte deshalb von Vorteil sein, ein Sensibilitätsmodell für Allodynie anzuwenden (Jürgens et al. 2014). Eine andere Strategie wäre es, die Teilnehmer vorher auszuwählen, welche mit einer messbaren autonomen Antwort auf tVNS außerhalb des fMRT-Scanners reagieren. Darüber hinaus benötigt es weitere Untersuchungen, um das mit diesem therapeutischen Effekt assoziierte neurologischen Netzwerk zur Schmerzverarbeitung aufzuklären.

27 5 Zusammenfassung tVNS produziert sowohl anti- als auch pro-nozizeptive Effekte in einem experimentellen Schmerzmodell bei gesunden Probanden. Hierfür können individuelle Empfänglichkeit und tVNS-Parameter eine Rolle spielen. Die thermale Stimulation erzeugt fMRT-Signal-Veränderungen in schmerzverarbeitenden zerebralen Regionen. Die transkutane Vagusnervstimulation führt zu einer reduzierten Aktivierung des medialen Schmerzsystems, wohingegen der anti- nozizeptive Effekt der tVNS ebenso mit der Deaktivierung von Hirnarealen einhergeht, die in der emotionalen und kognitiven Schmerzregulation (vordere Insel, vmPFC, Ncl. caudatus) mitwirken. Des Weiteren zeigt sich eine reduzierte Aktivierung im Hypothalamus, einem Hirnareal, welches Stresshormone freigibt.

28 6 Literatur

Alexander GE, DeLong MR, Strick PL (1986): Parallel organization of functionally segregated circuits linking basal ganglia and cortex. Annu Rev Neurosci 9, 357–381

Anders S, Lotze M, Erb M, Grodd W, Birbaumer N (2004): Brain activity underlying emotional valence and arousal: a response-related fMRI study. Hum Brain Mapp 23, 200–209

Apkarian AV, Bushnell MC, Treede R-D, Zubieta J-K (2005): Human brain mechanisms of pain perception and regulation in health and disease. European Journal of Pain 9, 463–484

Becerra LR, Breiter HC, Stojanovic M (1999): Human brain activation under controlled thermal stimulation and habituation to noxious heat: an fMRI study. Magnetic …

Ben-Menachem E (1996): Modern management of epilepsy: Vagus nerve stimulation. Baillieres Clin Neurol 5, 841–848

Ben-Menachem E, Revesz D, Simon BJ, Silberstein S.(2015). Surgically implanted and non- invasive vagus nerve stimulation: a review of efficacy, safety and tolerability. European Journal of Neurology, 22(9), 1260–1268. http://doi.org/10.1111/ene.12629

Borckardt JJ, Kozel FA, Anderson B, Walker A, George MS (2005): Vagus nerve stimulation affects pain perception in depressed adults. Pain Res Manag 10, 9–14

Brooks JCW, Nurmikko TJ, Bimson WE, Singh KD, Roberts N (2002): fMRI of Thermal Pain: Effects of Stimulus Laterality and Attention. NeuroImage 15, 293–301

Brown JE, Chatterjee N, Younger J, Mackey S (2011): Towards a physiology-based measure of pain: patterns of human brain activity distinguish painful from non-painful thermal stimulation. PLoS ONE 6, e24124

Busch V, Zeman F, Heckel A, Menne F, Ellrich J, Eichhammer P (2012): Brain Stimulation. Brain Stimulation 1–8

Bush G, Luu P, Posner MI (2000): Cognitive and emotional influences in anterior cingulate cortex. Trends in Cognitive Sciences 4, 215–222

Craig AD, Chen K, Bandy D, Reiman EM (2000): Thermosensory activation of insular cortex. Nat Neurosci 3, 184–190

Dietrich S, Smith J, Scherzinger C, Hofmann-Preiß K, Freitag T, Eisenkolb A, Ringler R (2008): [A novel transcutaneous vagus nerve stimulation leads to brainstem and cerebral activations measured by functional MRI]. Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering 53, 104–111

Ellrich J (2011): Transcutaneous vagus nerve stimulation. Eur Neurol Rev

Frangos E, Ellrich J, Komisaruk BR (2015): Non-invasive Access to the Vagus Nerve Central Projections via Electrical Stimulation of the External Ear: fMRI Evidence in Humans. Brain Stimulation 1–13

29 Freund W, Klug R, Weber F, Stuber G, Schmitz B, Wunderlich AP (2009): Perception and suppression of thermally induced pain: a fMRI study. Somatosens Mot Res 26, 1–10

Friebel U, Eickhoff SB, Lotze M (2011): Coordinate-based meta-analysis of experimentally induced and chronic persistent neuropathic pain. NeuroImage 1–11

Gao X-Y, Li YH, Liu K, Rong PJ, Ben H, Li L, Zhu B, Zhang S-P (2011): Acupuncture-like stimulation at auricular point Heart evokes cardiovascular inhibition via activating the cardiac-related neurons in the nucleus tractus solitarius. Brain Res 1397, 19–27

Gao X-Y, Zhang S-P, Zhu B, Zhang H-Q (2008): Investigation of specificity of auricular acupuncture points in regulation of autonomic function in anesthetized rats. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 138, 50–56

Greif R, Laciny S, Mokhtarani M, Doufas AG, Bakhshandeh M, Dorfer L, Sessler DI (2002): Transcutaneous electrical stimulation of an auricular acupuncture point decreases anesthetic requirement. Anesthesiology 96, 306–312

Grosen K, Fischer IWD, Olesen AE, Drewes AM (2013): Can quantitative sensory testing predict responses to analgesic treatment? Eur J Pain 17, 1267–1280

Groves DA, Brown VJ (2005): Vagal nerve stimulation: a review of its applications and potential mechanisms that mediate its clinical effects. Neurosci Biobehav Rev 29, 493– 500

He W, Jing X, Wang X, Rong P, Li L, Shi H, Shang H, Wang Y, Zhang J, Zhu B (2013): Transcutaneous auricular vagus nerve stimulation as a complementary therapy for pediatric epilepsy: a pilot trial. Epilepsy Behav 28, 343–346

Hein E, Nowak M, Kiess O, Biermann T, Bayerlein K, Kornhuber J, Kraus T (2013): Auricular transcutaneous electrical nerve stimulation in depressed patients: a randomized controlled pilot study. J Neural Transm 120, 821–827

Johnson MI, Ashton CH, Thompson JW (1991): An in-depth study of long-term users of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS). Implications for clinical use of TENS. Pain 44, 221–229

Jürgens TP, Sawatzki A, Henrich F, Magerl W, May A (2014): An improved model of heat- induced hyperalgesia--repetitive phasic heat pain causing primary hyperalgesia to heat and secondary hyperalgesia to pinprick and light touch. PLoS ONE 9, e99507

Karceski S, Schachter SC: Up2Date; in: Vagus nerve stimulation therapy for the treatment of epilepsy; hrsg. v. Eichler AF; Waltham, MA 2016

Kirchner A, Birklein F, Stefan H, Handwerker HO (2000): Left vagus nerve stimulation suppresses experimentally induced pain. Neurology 55, 1167–1171

Kraus T, Hösl K, Kiess O, Schanze A, Kornhuber J, Forster C (2007): BOLD fMRI deactivation of limbic and temporal brain structures and mood enhancing effect by transcutaneous vagus nerve stimulation. J Neural Transm 114, 1485–1493

30 Kraus T, Kiess O, Hösl K, Terekhin P, Kornhuber J, Forster C (2013): CNS BOLD fMRI effects of sham-controlled transcutaneous electrical nerve. Brain Stimulation 1–7

Krause AW, Clelland JA, Knowles CJ, Jackson JR (1987): Effects of unilateral and bilateral auricular transcutaneous electrical nerve stimulation on cutaneous pain threshold. PHYS THER 67, 507–511

Kroemer NB, Guevara A, Vollstädt-Klein S, Smolka MN (2013): Nicotine alters food-cue reactivity via networks extending from the hypothalamus. Neuropsychopharmacology 38, 2307–2314

Lanska DJ: J.L. Corning and vagal nerve stimulation for seizures in the 1880s. Band 58; 2002

Laqua R, Leutzow B, Wendt M, Usichenko T (2014): Transcutaneous vagal nerve stimulation may elicit anti- and pro-nociceptive effects under experimentally-induced pain - a crossover placebo-controlled investigation. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 185, 120–122

Lehéricy S, Ducros M, Van de Moortele P-F, Francois C, Thivard L, Poupon C, Swindale N, Ugurbil K, Kim D-S (2004): Diffusion tensor fiber tracking shows distinct corticostriatal circuits in humans. Ann Neurol 55, 522–529

Lein DH, Clelland JA, Knowles CJ, Jackson JR (1989): Comparison of effects of transcutaneous electrical nerve stimulation of auricular, somatic, and the combination of auricular and somatic acupuncture points on experimental pain threshold. PHYS THER 69, 671–678

Leutzow B, Lange J, Gibb A, Schroeder H, Nowak A, Wendt M, Usichenko TI (2013): Vagal sensory evoked potentials disappear under the neuromuscular block - an experimental study. Brain Stimulation 6, 812–816

Lewis SM, Clelland JA, Knowles CJ, Jackson JR, Dimick AR (1990): Effects of auricular acupuncture-like transcutaneous electric nerve stimulation on pain levels following wound care in patients with burns: a pilot study. J Burn Care Rehabil 11, 322–329

Liu S, Kopacz DJ, Carpenter RL (1995): Quantitative assessment of differential sensory nerve block after lidocaine spinal anesthesia. Anesthesiology 82, 60–63

Longobardi AG, Clelland JA, Knowles CJ, Jackson JR (1989): Effects of Auricular Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation on Distal Extremity Pain: A Pilot Study. PHYS THER 69, 10–17

Lovick T (2010): Pain relief from deep brain stimulation at midbrain sites - a contribution from vagal processes? Exp Neurol 225, 240–242

Masson EA, Veves A, Fernando D, Boulton AJ (1989): Current perception thresholds: a new, quick, and reproducible method for the assessment of peripheral neuropathy in diabetes mellitus. Diabetologia 32, 724–728

Medoc Ltd. (2010): PATHWAY Pain & Sensory Evaluation System - System Overview. 8th Edition, 4th Revision, page 17

Melzack R, Katz J (1984): Auriculotherapy fails to relieve chronic pain. A controlled crossover study. JAMA 251, 1041–1043

Naccache L, Dehaene S, Cohen L, Habert M-O, Guichart-Gomez E, Galanaud D, Willer J-C (2005): Effortless control: executive attention and conscious feeling of mental effort are dissociable. Neuropsychologia 43, 1318–1328

Napadow V, Edwards RR, Cahalan CM, Mensing G, Greenbaum S, Valovska A, Li A, Kim J, Maeda Y, Park K, Wasan AD (2012): Evoked pain analgesia in chronic pelvic pain patients using respiratory-gated auricular vagal afferent nerve stimulation. Pain Med 13, 777–789

Noling LB, Clelland JA, Jackson JR, Knowles CJ (1988): Effect of transcutaneous electrical nerve stimulation at auricular points on experimental cutaneous pain threshold. PHYS THER 68, 328–332

Oliveri AC, Clelland JA, Jackson J, Knowles C (1986): Effects of auricular transcutaneous electrical nerve stimulation on experimental pain threshold. PHYS THER 66, 12–16

Ossipov MH, Dussor GO, Porreca F (2010): Central modulation of pain. J Clin Invest 120, 3779–3787

Peuker ET, Filler TJ (2002): The nerve supply of the human auricle. Clin Anat 15, 35–37

PONS-Verlag. Latein-Deutsch-Wörterbuch. Available at: http://de.pons.com/%C3%BCbersetzung?q=vagare&l=dela&in=ac_la&lf=de; Accessed 05.06.2016

Raichle ME (1998): Behind the scenes of functional brain imaging: a historical and physiological perspective. Proc Natl Acad Sci USA 95, 765–772

Randich A, Ren K, Gebhart GF (1990): Electrical stimulation of cervical vagal afferents. II. Central relays for behavioral antinociception and arterial blood pressure decreases. J Neurophysiol 64, 1115–1124

Rief W, Glombiewski JA (2012): The hidden effects of blinded, placebo-controlled randomized trials: an experimental investigation. Pain 153, 2473–2477

Rinaman L (2010): Ascending projections from the caudal visceral nucleus of the solitary tract to brain regions involved in food intake and energy expenditure. Brain Res 1350, 18–34

Rong P, Liu A, Zhang J, Wang Y, Yang A, Li L, Ben H, Li L, Liu R, He W, et al. (2014): An alternative therapy for drug-resistant epilepsy: transcutaneous auricular vagus nerve stimulation. Chin Med J 127, 300–304

Seifert F, Bschorer K, De Col R, Filitz J, Peltz E, Koppert W, Maihöfner C (2009): Medial prefrontal cortex activity is predictive for hyperalgesia and pharmacological antihyperalgesia. J Neurosci 29, 6167–6175

Stefan H, Kreiselmeyer G, Kerling F, Kurzbuch K, Rauch C, Heers M, Kasper BS, Hammen T, Rzonsa M, Pauli E, et al. (2012): Transcutaneous vagus nerve stimulation (t-VNS) in pharmacoresistant epilepsies: a proof of concept trial. Epilepsia 53, e115–8

Trepel M: Neuroanatomie. 3rd Edition; „Elsevier, Urban & FischerVerlag“ 2015, page 69-71

Tsang HC, Lam CS, Chu PW, Yap J, Fung TY, Cheing GLY (2011): A Randomized Controlled Trial of Auricular Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation for Managing Posthysterectomy Pain. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine 2011, 1–9

Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, Delcroix N, Mazoyer B, Joliot M (2002): Automated anatomical labeling of activations in SPM using a macroscopic anatomical parcellation of the MNI MRI single-subject brain. NeuroImage 15, 273–289

Ulett GA, Han S, Han JS (1998): Electroacupuncture: mechanisms and clinical application. Biol Psychiatry 44, 129–138

Ventureyra EC (2000): Transcutaneous vagus nerve stimulation for partial onset seizure therapy. A new concept. Childs Nerv Syst 16, 101–102

Wikipedia contributors. Orders of magnitude (magnetic field). Wikipedia, The Free Encyclopedia. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Orders_of_magnitude_(magnetic_field); Accessed 05.06.2016

Ziv M, Tomer R, Defrin R, Hendler T (2010): Individual sensitivity to pain expectancy is related to differential activation of the hippocampus and amygdala. Hum Brain Mapp 31, 326–338

33 Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 185 (2014) 120–122

Contents lists available at ScienceDirect

Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical

journal homepage: www.elsevier.com/locate/autneu

Transcutaneous vagal nerve stimulation may elicit anti- and pro-nociceptive effects under experimentally-induced pain — A crossover placebo-controlled investigation

René Laqua a, Bianca Leutzow b, Michael Wendt b, Taras Usichenko b,⁎ a Institute for Diagnostic Radiology and Neuroradiology, University Medicine of Greifswald, Germany b Department of Anesthesiology, Intensive Care Medicine, University Medicine of Greifswald, Germany article info abstract

Article history: Vagal nerve stimulation is a promising method for the treatment of pain. The aim was to investigate the effect of Received 18 June 2014 non-invasive transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS) on the experimental pain threshold (PT) and to Received in revised form 19 July 2014 compare it with placebo. PT of standardized electrical stimulation was measured in 22 healthy male volunteers Accepted 29 July 2014 during two study sessions. TVNS was applied to the auricular concha bilaterally for 35 min using 2 Hz/100 Hz bursts with the intensity, which was individually maximal but non-painful. During the placebo session, the vol- Keywords: Transcutaneous vagal nerve stimulation unteers received no stimulation. PT, heart rate and blood pressure were registered as outcome measures. There Experimental pain were no differences in PT values between TVNS and placebo conditions in the group analysis. Fifteen volunteers Pain threshold (responders) reacted with an increase in PT during TVNS (p b 0.01 vs. baseline) but not during the placebo session. Another six participants reported decreased PT during and after TVNS (p b 0.05 vs. baseline), but not during the placebo session. Heart rate and blood pressure did not change during the study. Transcutaneous vagal nerve stimulation may produce both anti- and pro-nociceptive effects in healthy volunteers. The individual sensitivity and TVNS parameters might play a role. © 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction have a mood enhancing effect in healthy volunteers (Kraus et al., 2007) and anti-nociceptive effects in patients with chronic pelvic pain Vagal nerve stimulation (VNS) using implanted generators is recom- (Napadow et al., 2012). However the effect of transcutaneous electrical mended by the Food and Drug Administration (FDA) as an adjunctive stimulation of the vagal innervated areas of the auricle on pain in exper- therapy for epilepsy and medication-resistant major depression imental settings remains controversial (Busch et al., 2013; Johnson et al., (George et al., 2007). Also, invasive VNS is a promising treatment for 1991). sleep and anxiety disorders, obesity and chronic pain (George et al., The aim of the study was to investigate the analgesic effect of TVNS 2007; Multon and Schoenen, 2005). vs. placebo in healthy subjects using a robust method of experimental A non-invasive transauricular electrical stimulation technique pain measurement. (Ventureyra, 2000) was proposed in order to avoid the typical problems of invasive VNS, such as surgery for implantation and battery replace- 2. Methods ments or dysfunction of the electronic equipment (Hatton et al., 2006). The transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS) is based on 2.1. Design and participants anatomical data about cutaneous afferent vagal nerve representation. The auricular branch of the vagal nerve supplies the external acoustic The local ethics commission approved the protocol of this investiga- meatus and auricular concha (Peuker and Filler, 2002). The electrical tion. Twenty-two healthy right-handed male students from the Univer- stimulation of these areas elicits cardiovascular and gastric responses sity of Greifswald were recruited via advertisement according to in experimental animals, which are abolished by blockade of vagal eligibility criteria and gave their informed consent to participate in transmission using the muscarinic receptor blocker atropine (Gao this investigation. None of the participants were taking medication or et al., 2008, 2011). Pilot investigations have suggested that TVNS may recreational drugs at the time of the study. Each participant underwent two study sessions in a crossover manner within an interval of 1 week. During one session, the participants received TVNS; the other session ⁎ Corresponding author at: Department of Anesthesiology, Greifswald Medical School, Fleischmannstr. 42–44, 17475 Greifswald, Germany. Tel.: +49 3834865893. was a placebo procedure. The order of the sessions was randomized. E-mail address: [email protected] (T. Usichenko). All participants were blinded with regard to the purpose of the

http://dx.doi.org/10.1016/j.autneu.2014.07.008 1566-0702/© 2014 Elsevier B.V. All rights reserved. R. Laqua et al. / Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 185 (2014) 120–122 121 investigation: they were told that they would receive TVNS of high in- anode electrode (silver disk EEG electrode 5 mm in diameter, Schuler tensity (TVNS session) and low intensity, under the threshold of percep- Medizintechnik Freiburg, Germany) was placed inside the cavum con- tion (placebo session). The participants were told that: i) both TVNS chae and attached with adhesive tape. The cathode electrode (Blue Sen- interventions should exert the analgesic effect; and ii) the purpose of sor PECG electrode, Ambu, Germany) was attached to the mastoid area the investigation is the comparison of the analgesic effect of high vs. of the ear. TVNS was performed in burst-stimulation mode with a low intensity TVNS. changing frequency between 2 Hz and 100 Hz with a 0.2 ms impulse duration. At the beginning of the TVNS session, the intensity of stimulation 2.2. Experimental pain procedure was set individually to maximal but non-painful by interviewing each volunteer. This intensity was kept constant throughout the 30 min of Experimental nociceptive pain was induced and measured using a the session. At the beginning of the placebo session, subjects received microprocessor-controlled device Neurometer (Neurotron Inc., Balti- TVNS at intensity slightly over sensory perception threshold. This was more, USA). This device measures the sensory nerve conduction thresh- then progressively reduced to sub-threshold intensity within 10 s and olds with the resolution of ±20 μA(American Association of switched off out of the subjects' view. Electrodiagnostic Medicine, 1999). Neurometer generates the sinusoid waveform current, which at 5 Hz frequency activates noxious transmis- 2.4. Outcome measures and analysis sion mediated mainly through small diameter unmyelinated C fibers (Koga et al., 2005). Using the psycho-physiological feed-back of the stim- PT, heart rate and blood pressure were measured five times during ulated subjects via remote control panel, the commonly used protocol each study session (Fig. 1). The changes of the outcome measures “Current Perception Threshold” allows the measurement of pain thresh- from baseline were analyzed using repeated measures ANOVA with fi old (PT). PT is de ned as the minimum amount of stimulus (current) that two within-subject factors: CONDITION (TVNS or placebo) and TIME elicits painful reaction (American Association of Electrodiagnostic Medi- (four time points). Post-hoc differences were compared using the cine, 1999). Bonferroni adjusted Student's t-test for paired samples. p-Values less The participants were placed in a comfortable armchair for at least than 0.05 were considered statistically significant. 10 min before the start of the investigation and the experimental pain procedure was explained in detail. A pair of disposable gold plated electrodes 10 mm in diameter was coated with a thin layer of conductive gel 3. Results and attached with adhesive tape to the distal interphalangeal joint of the finger, which was previously cleaned with an abrasive paste. The One participant developed circulatory collapse due to bradycardia electrodes were connected to the Neurometer, which delivered con- and hypotension during TVNS and was withdrawn from the investiga- stant current sinusoid waveform stimuli at 5 Hz of increasing intensity tion. In the 21 remaining volunteers (age 25 ± 3 years; mean ± SD), fi in a stepwise manner in the range from 0.001 to 9.99 mA. The volun- ANOVA revealed no signi cant effect of both factors on PT values. Fif- teers were instructed to keep the button on the remote control panel, teen volunteers responded with an increase in PT during TVNS connected to the microprocessor of the Neurotron device, pushed (p b 0.01 vs. baseline) but not during the placebo session (Fig. 2A). until the increasing current stimulation became painful. The release of The other six participants responded with a decrease in PT during and the button interrupted the current flow. The volunteers were instructed after TVNS (p b 0.05 vs. baseline), but not during the placebo session to release the button only when they have experienced exactly the same (Fig. 2B). Heart rate and blood pressure did not change during the study. pain feeling each time. The current intensity, appeared at the digital display of the Neurometer device at that moment, served as a measure for 4. Discussion individual PT. PT was registered by the investigator and was invisible to the volunteers. Each PT evaluation consisted of five repeated measure- Our results suggest that TVNS can elicit both anti- and pro-nociceptive ments with an interval of 30 s between them. The mean value was cal- effects in susceptible volunteers. This idea provides an explanation for the culated out of these five measurements and used for further analysis. controversial results from previous studies, where patients with an im- Each volunteer underwent five PT evaluations during one study ses- planted VNS device responded to vagal stimulation with both an increase sion: 1) at baseline (before TVNS/placebo); 2) 15 min; 3) 30 min (end (Kirchner et al., 2000) and decrease (Borckardt et al., 2005) in the pain of TVNS/placebo); 4) 40 min and 5) 60 min after the start of TVNS/placebo threshold during experimentally induced pain. Our finding is similar to (Fig. 1). the results of Johnson et al., who applied transcutaneous electrical stimulation to the auricular concha for experimental analgesia in healthy sub- 2.3. TVNS procedure jects and did not find an analgesic effect in the group analysis (Johnson et al., 1991). However, 10 out of 18 participants in this study responded Bilateral electrical stimulation was performed via two electrodes for with a 30–50% increase in their electrical pain threshold. 30 min using a TNS SM 2 MF device (Schwa-Medico GmbH, Germany). Using the method of quantitative sensory testing (QST) to evaluate Before attachment of the electrodes, the skin was cleaned with alcohol the analgesic effects of TVNS, two recent investigations demonstrated and moistened with GTGL-10 electrode gel (Neurotron Inc.). The that TVNS possesses anti-nociceptive properties, influencing various

5 min

TVNS/placebo on TVNS/placebo off

Adaptation

Baseline 1530 40 60 (min) Time-points of outcome measurement

Fig. 1. Timeline of the study session. TVNS: transcutaneous vagal nerve stimulation. 122 R. Laqua et al. / Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 185 (2014) 120–122

AB Anti-nociceptive response (N=15) Pro-nociceptive response (N=6)

Fig. 2. Changes of pain threshold (PT) measured from baseline during and after transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS) in 21 healthy volunteers. Data are presented as mean and SEM. A: Fifteen participants reacted with an increase in PT during TVNS (anti-nociceptive reaction), there was a difference between TVNS and placebo condition 30 min after start of stimulation. * p b 0.01 TVNS vs. baseline; Bonferroni adjusted Student's t-test for paired samples. B: Six participants reacted with a decrease in PT during and after TVNS (pro-nociceptive reaction). * p b 0.05 TVNS vs. baseline; Bonferroni adjusted Student's t-test for paired samples. aspects of evoked pain within a QST battery in healthy volunteers and in for sponsoring the TENS device and the volunteers who participated in patients with chronic pain (Busch et al., 2013; Napadow et al., 2012). this investigation. We failed to find differences between the TVNS and placebo conditions, probably because of the insensitivity of the experimental method used to measure the analgesic effect of TVNS in our investigation. This References method of electrically-induced experimental pain yields robust results American Association of Electrodiagnostic Medicine, 1999. Guidelines in electrodiagnostic with low variability in the evaluation of commonly used analgesic medicine. Technology review: the Neurometer Current Perception Threshold (CPT). drugs (Liu et al., 1995), however, it might not be sensitive enough to de- Muscle Nerve 8, S247–S259. tect the anti-nociceptive effect of TVNS. Borckardt, J.J.,Kozel, F.A.,Anderson, B.,Walker, A.,George, M.S., 2005. Vagus nerve stimulation affects pain perception in depressed adults. Pain Res. Manag. 1, 9–14. The extreme vasovagal reaction in one of the participants supports Busch, V., Zeman, F., Heckel, A., Menne, F., Ellrich, J., Eichhammer, P., 2013. The effect of the hypothesis of individual sensitivity to TVNS, which might be ex- transcutaneous vagus nerve stimulation on pain perception — an experimental plained by peripheral (pattern of afferent vagal innervation) and central study. Brain Stimul. 6, 202–209. fi (variety of synaptic connections) neuroanatomical peculiarities. Gao, X.Y.,Zhang, S.P.,Zhu, B.,Zhang, H.Q., 2008. Investigation of speci city of auricular acupuncture points in regulation of autonomic function in anesthetized rats. Auton. TVNS parameters like the stimulation frequency, optimal for the Neurosci. 138, 50–56. anti-nociceptive effect, are still a matter of discussion. The currently Gao, X.Y.,Li, Y.H.,Liu, K.,Rong, P.J.,Ben, H.,Li, L.,Zhu, B.,Zhang, S.P., 2011. Acupuncture-like used frequency of 25–30 Hz for TVNS has never been validated for its stimulation at auricular point heart evokes cardiovascular inhibition via activating the cardiac-related neurons in the nucleus tractus solitarius. Brain Res. 1397, 19–27. analgesic effect. This range of frequencies was once arbitrarily intro- George, M.S., Nahas, Z., Borckardt, J.J., Anderson, B., Burns, C., Kose, S., Short, E.B., 2007. duced for clinical VNS application, since it caused less damage to the Vagus nerve stimulation for the treatment of depression and other neuropsychiatric vagal nerve during direct stimulation in the treatment of seizures and disorders. Expert. Rev. Neurother. 7, 63–74. Groves, D.A.,Brown, V.J., 2005. Vagal nerve stimulation: a review of its applications and thus was subsequently approved by the FDA (Groves and Brown, potential mechanisms that mediate its clinical effects. Neurosci. Biobehav. Rev. 29, 2005). For stimulation of the cutaneous afferents of the vagal nerve, 493–500. we chose 2 Hz and 100 Hz in burst-mode, which have been used to Hatton, K.W., McLarney, J.T., Pittman, T., Fahy, B.G., 2006. Vagal nerve stimulation: overview and implications for anesthesiologists. Anesth. Analg. 103, 1241–1249. achieve the maximal analgesic effect during transcutaneous nerve stim- Johnson, M.I., Hajela, V.K., Ashton, C.H., Thompson, J.W., 1991. The effects of auricular ulation (Ulett et al., 1998). transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) on experimental pain threshold In terms of the limitations of our study, three aspects for further re- and autonomic function in healthy subjects. Pain 46, 337–342. “ ” Kirchner, A., Birklein, F., Stefan, H., Handwerker, H.O., 2000. Left vagus nerve stimulation search are important: i) to assess the dynamic measures of the QST suppresses experimentally induced pain. Neurology 55, 1167–1171. battery, which have been successful in previous investigations (Busch Koga, K.,Furue, H.,Rashid, M.H.,Takaki, A.,Katafuchi, T.,Yoshimura, M., 2005. Selective ac- et al., 2013; Napadow et al., 2012); ii) the search for biomarkers of “re- tivation of primary afferent fibers evaluated by sine-wave electrical stimulation. Mol. sponders” and “non-responders” in TVNS, which may be associated Pain 1, 13. Kraus, T.,Hösl, K.,Kiess, O.,Schanze, A.,Kornhuber, J.,Forster, C., 2007. BOLD fMRI deactiva- with individual vagal activity (Lovick, 2010); and iii) testing of partici- tion of limbic and temporal brain structures and mood enhancing effect by transcu- pants' blinding, which was missed in the present study, which can be taneous vagus nerve stimulation. J. Neural Transm. 114, 1485–1493. easily done by asking the volunteers about their opinion concerning Liu, S., Kopacz, D.J., Carpenter, R.L., 1995. Quantitative assessment of differential sensory nerve block after lidocaine spinal anesthesia. Anesthesiology 82, 60–63. the aim of the investigation (Rief and Glombiewski, 2012). Lovick, T., 2010. Pain relief from deep brain stimulation at midbrain sites — a contribution In summary, TVNS produces both anti- and pro-nociceptive effects from vagal processes? Exp. Neurol. 225, 240–242. within a robust experimental pain model in healthy volunteers. Individ- Multon, S., Schoenen, J., 2005. Pain control by vagus nerve stimulation: from animal to man…and back. Acta Neurol. Belg. 105, 62–67. ual susceptibility and TVN stimulation parameters might play a role. Napadow, V., Edwards, R.R.,Cahalan, C.M., Mensing, G., Greenbaum, S., Valovska, A., Li, A., Kim, J.,Maeda, Y.,Park, K.,Wasan, A.D., 2012. Evoked pain analgesia in chronic pelvic Financial disclosure pain patients using respiratory-gated auricular vagal afferent nerve stimulation. Pain Med. 13, 777–789. Peuker, E.T.,Filler, T.J., 2002. Nerve supply of the human auricle. Clin. Anat. 15, 35–37. The study was funded from institutional sources (Department of Rief, W.,Glombiewski, J.A., 2012. The hidden effects of blinded, placebo-controlled ran- Neuroscience, University Medicine of Greifswald, Germany) (FONE- domized trials: an experimental investigation. Pain 153, 2473–2477. Ulett, G.A., Han, S., Han, J.S., 1998. Electroacupuncture: mechanisms and clinical applica- 09-01). tion. Biol. Psychiatry 44, 129–138. Ventureyra, E.C., 2000. Transcutaneous vagus nerve stimulation for partial onset seizure Acknowledgments therapy. A new concept. Child's Nerv. Syst. 16, 101–102.

The authors thank Professor Werner Siegmund, Institute of Pharma- cology, University of Greifswald, ﬁrma Schwa-Medico GmbH, Germany Brain Imaging and Behavior DOI 10.1007/s11682-015-9502-5

ORIGINAL RESEARCH

Preliminary findings of cerebral responses on transcutaneous vagal nerve stimulation on experimental heat pain

1 1,2,3 1 3 Taras Usichenko & René Laqua & Bianca Leutzow & Martin Lotze

# Springer Science+Business Media New York 2016

Abstract Transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS) is TVNS. During TVNS, this association was only seen for the a promising complementary method of pain relief. However, right anterior insula. TVNS decreased fMRI signals in the an- the neural networks associated with its analgesic effects are terior cingulate cortex in comparison with the placebo condi- still to be elucidated. Therefore, we conducted two functional tion; however, there was no relevant pain reducing effect over magnetic resonance imaging (fMRI) sessions, in a randomized the group as a whole. In contrast, TVNS compared to the pla- order, with twenty healthy subjects who were exposed to ex- cebo condition showed an increased activation in the primary perimental heat pain stimulation applied to the right forearm motor cortex, contralateral to the site of heat stimulation, and in using a Contact Heat-Evoked Potential Stimulator. While in the right amygdala. In conclusion, in the protocol used here, one session TVNS was administered bilaterally to the concha TVNS specifically modulated the cerebral response to heat auriculae with maximal, non-painful intensity, the stimulation pain, without having a direct effect on pain thresholds. device was switched off in the other session (placebo condition). Pain thresholds were measured before and after each ses- Keywords Transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS) . sion. Heat stimulation elicited fMRIactivationincerebralpain Thermal pain . Functional MRI . Placebo stimulation processing regions. Activation magnitude in the secondary somatosensory cortex, posterior insula, anterior cingulate and caudate nucleus was associated with heat stimulation without Introduction

Transcutaneous vagal nerve stimulation (TVNS; Ventureyra Dr. Usichenko and Mr. Laqua made equal contributions in conducting the 2000) was proposed as a non-invasive alternative to vagal investigation and writing the manuscript nerve stimulation with implanted stimulators, the latter is cur- Electronic supplementary material The online version of this article rently used as an adjunctive therapy for epilepsy and (doi:10.1007/s11682-015-9502-5) contains supplementary material, medication-resistant major depression and is declared as a which is available to authorized users. promising treatment for sleep and anxiety disorders, obesity and chronic pain (George et al. 2007;MultonandSchoenen * Taras Usichenko 2005). Based on anatomic data, TVNS is usually applied to [email protected] the external acoustic meatus and concha auricle that are innervated by afferent fibers of the auricular branch of the vagal nerve (Gray 1918; Peuker and Filler 2002). These afferents 1 Department of Anesthesiology, Intensive Care Medicine, Emergency Medicine and Pain Medicine, University Medicine Greifswald, terminate in the brain stem nuclei of the vagal and trigeminal Sauerbruchstrasse, 17475 Greifswald, Germany nerves, mainly including the ipsilateral nucleus solitarius, the 2 Institute of Diagnostic and Interventional Neuroradiology, University principal sensory and spinal trigeminal nuclei (Nomura and Hospital Bern, Freiburgstrasse 10, Bern, Switzerland Mizuno 1984). These structures are known to be involved in 3 Institute for Diagnostic Radiology and Neuroradiology, University the transmission and processing of nociceptive stimulation, Medicine Greifswald, Sauerbruchstrasse, Greifswald 17475, whereas analgesic effects of direct vagal stimulation seem to Germany be mediated through the nucleus tractus solitarii (Aicher and Brain Imaging and Behavior

Randich 1988). Previous fMRI investigations of TVNS in inter-session-interval of at least 1 week. In both study ses- healthy volunteers confirmed an involvement of neurons in sions, experimental heat pain was applied and treated in ran- the solitary tract and the locus coeruleus in the brain stem domized order with either TVNS or a placebo intervention (Dietrich et al. 2008; Kraus et al. 2013). These regions were with an inactive device. All participants were blinded in re- shown to be a part of the subcortical anti-nociceptive neural gard to the purpose of the investigation by instructing them network (Randich et al. 1990). The solitary tract has projec- that they would receive painful stimulation during both study tions to the rostral ventromedial medulla, the periaqueductal sessions and would be treated with TVNS of either low or gray, the locus coeruleus, the hypothalamus and the limbic high intensity. Each study session lasted about 45 min. forebrain, modulating arousal and pain perception (Rinaman 2010; Ossipov et al. 2010). When applying TVNS to the an- Experimental pain terior wall of the acoustic meatus, a decrease of fMRI signal in limbic brain areas, including the amygdala, hippocampus, Experimental heat pain was elicited using a Contact Heat- parahippocampal gyrus and the posterior cingulate cortex, Evoked Potential Stimulator (PATHWAY Model CHEPS; was demonstrated (Dietrich et al. 2008; Kraus et al. 2007; Medoc; Israel). A diamagnetic thermode, containing a Kraus et al. 2013). These findings suggest that TVNS targets Peltier element with 27 mm in diameter, was attached to the the regulation of emotional and autonomic components in the middle of the inner part of the right forearm (Fig. 1a). The cerebral processing of pain. stimulator itself was located outside the scanner room and Pilot investigations found anti-nociceptive effects of TVNS synchronized with the MR scanner over Transmitted on experimentally evoked pain in healthy volunteers and in Through Light (TTL) signals. Individual heat pain thresholds patients with chronic pelvic pain (Napadow et al. 2012). were measured using a BLimits^ test paradigm (PATHWAY Therefore, an anti-nociceptive effect of TVNS might not only Pain and Sensory Evaluation System 2008) before and after be expressed in a decrease of neuronal activation in brain every fMRI session. During each measurement (trial), the regions associated with the processing of pain (anterior insular temperature of the contact surface increased from a baseline cortex (AIC), secondary somatosensory cortex (S2), anterior temperature of 32 °C with a heating rate of 1.5 °C/s. The cingulate cortex (ACC), prefrontal cortex (PFC), caudate nu- participants were instructed to stop the heating by pressing cleus (NC; Friebel et al. 2011), but also with areas regulating the button of the response unit as soon as they felt pain. the autonomic nervous system (Becerra et al. 1999;Dietrichet Four trials with an inter-stimulus-interval of 2 s were per- al. 2008; Kraus et al. 2013). formed and pain threshold was calculated as the mean value Regarding these recent findings and aiming to further elu- of these 4 trials, using the accompanied software PATHWAY cidate the anti-nociceptive mechanisms of non-invasive vagal 3.5 (Medoc Ltd., Israel). The BRamp and Hold^ paradigm nerve stimulation, we investigated the reaction of healthy vol- (PATHWAY Pain and Sensory Evaluation System 2008)was unteers to experimentally induced heat pain and their cerebral used to induce the experimental heat pain during the fMRI fMRI responses under TVNS in comparison with a placebo sessions. The stimulation temperature, which was synchro- intervention. We expected TVNS to increase the heat pain nized with MRI, was oscillating between a baseline tempera- threshold of study participants and to reduce the neuronal ture (32 °C) and the participants’ heat pain threshold, mea- activation in brain regions involved in the processing of pain. sured before the fMRI procedure, with a ramp rate of 5 °C/s. Furthermore, we expected a modulation of areas associated One fMRI session consisted of 8 blocks, each lasting 48 s with processing autonomic responses under TVNS. (16 s of stimulation, 32 s of pause, Fig. 1b). After the fMRI session, participants’ heat pain threshold was measured again.

Methods TVNS procedure

Design and participants Bilateral electrical stimulation was applied to the concha of the auricle (Fig. 1a)usingaself-manufacturedelectrode,sized Twenty healthy right-handed volunteers (nine females), with a 9 × 9 × 2.1 mm, described elsewhere in detail (Leutzow et al. mean age of 28 years (range 24–44), all Caucasians, were 2013). All parts of the stimulation electrode that had been recruited via advertisement according to eligibility criteria. made of stainless steel were replaced by silver wire with None of the participants was taking medication or recreational 0.3 mm in diameter. The contact surfaces of each electrode, drugs at the time of the study. The local ethics commission of containing the silver wires wrapped in wool, were moistened the Medical Faculty of the University Medicine of Greifswald with 0.9 % NaCl solution before each session to achieve op- approved the protocol of this investigation and informed con- timal conductivity. Then the electrodes were tightly fixed in- sent was obtained from each volunteer. Each participant side the auricular concha, using commercially available anti- underwent two fMRI sessions in a crossover manner with an noise earplugs, made from polyurethane foam. The self- Brain Imaging and Behavior

Fig. 1 Methods imaging. a fMRI measurement setup. b fMRI block design with overlay of hemodynamic response (explanation in the text)

manufactured, isolated conductive silver wires were connect- optimized by a shimming sequence. A T1-weighted magneti- ed to a DoloBravo Dual Channel Neurostimulator (MTR zation prepared rapid gradient echo (MPRAGE) sequence GmbH, Germany) that was located outside the MR scanner. was recorded as a structural dataset (repetition time (TR): The cables were placed parallel to the body of the participant 1.69 s; echo time (TE): 2.52 ms; 176 sagittal slices; voxel size: (Fig. 1a). 1 × 1 × 1mm3; 2 times generalized autocalibrating partially During the TVNS session, the device was used in the con- parallel acquisition (GRAPPA) acceleration). In addition, a tinuous mode, yielding square impulses with a frequency of gradient echo sequence with 33 phase and magnitude images 8 Hz and an impulse duration of 200 μs. At the beginning of (TR1: 488 ms, TR2: 131 ms, TE1: 4.92 ms, TE2: 7.38 ms, the TVNS session, the current intensity was adjusted individ- α = 60°, FoV: 210 mm, slice spacing: 3.99 mm) was acquired ually for each subject and each ear separately to a maximal to calculate a field map to correct geometric distortions in the level without evoking pain. For that purpose, the intensity of echo planar images (EPI). EPI was acquired during the two TVNS, perceived as a tingling sensation, was slowly in- sessions using the same field of view (FoV) as in the gradient creased and the participants were interviewed continuously, echo sequence (TR: 2000 ms, TE: 23 ms, FoV: 210 mm, slice until the optimal, non-painful level was achieved. At the be- spacing: 3.99 mm, matrix: 104 ms, TE: 23 ms, voxel size ginning of the placebo session, the stimulation was at first 2 × 2 × 3mm3). EPI and the gradient echo sequence were performed with intensity just over the sensory perception aligned with the anterior commissure-posterior commissure. threshold. When the participants reported a weak perception The imaging volume covered the whole neurocranium includ- of stimulation, the intensity was progressively reduced to a ing cerebellum and brainstem. A total of 33 slices were ac- sub-threshold intensity within 10 s and switched off out of quired for each of the 192 volumes recorded during one ses- the subjects' view. sion. The pure measuring time of the protocol with the block design paradigm (Fig. 1a) took 12 min and 14 s plus the MRI measurement duration of the shimming sequence. Before each fMRI measurement, three pilot EPIs of the whole head during TVNS MRI data were obtained using a 3 T MRI scanner (Siemens were obtained. In case of visible artifacts, electrodes and cable Verio, Erlangen, Germany) equipped with a 12-channel head orientation in the head coil were corrected to avoid any visible coil. For each scanning session, field homogeneity was artifacts during scanning. Brain Imaging and Behavior fMRI data processing Analysis of pain thresholds

Preprocessing and data analysis were performed with SPM8 Differences in heat pain thresholds were analyzed using a (Wellcome Department of Imaging Neuroscience, London) repeated measures ANOVA (SPSS-Statistics; Version 22.0, implemented in MATLAB (MathWorks Inc., Natick, MA). IBM Corp., New York, USA) with TIME (before and after Each time series was realigned after unwarping in the phase intervention) and INTERVENTION (TVNS and placebo) as encoding direction to account for movement and susceptibility within subject factors. P-values less than 0.05 were considered artifacts. The EPI-data were subsequently co-registered to the as statistically significant. T1-weighted anatomical image, segmented, spatially normal- ized, smoothed with a Gaussian filter of 8 × 8 × 8mm3 full width at half maximum and high-pass filtered Results (cut-off: 128 s). Preprocessed data were statistically evaluated for each individual using general linear Pain thresholds modeling. A design matrix was created using a canoni- cal hemodynamic response function. Contrast images of All 20 recruited volunteers completed both study sessions each participant were usedforgroupstatisticswitha successfully. The mean intensity of TVNS was 7.6 mA (range random effects design. Regions of interest (ROI) analy- 5.0-11.5). Group (ANOVA) and post-hoc analysis did not sis, corrected for multiple comparisons within the ROIs reveal differences among the participants for the TIME with p <0.05 (family wise error; FWE), were performed. and INTERVENTION factors (thresholds before: placebo Therefore, we selected areas known to be involved in 44.67 ± 0.42 °C, TVNS 44.23 ± 0.38 °C; thresholds after: pla- the cerebral processing of thermal pain (for meta-analy- cebo 44.49 ± 0.42 °C, TVNS 43.95 ± 0.49 °C). Subgroup anal- sis see Friebel et al. 2011), namely the anterior and posterior ysis revealed that eight participants reacted with significantly insula cortices (AIC, PIC), the somatosensory cortices (S1, increased threshold of experimental heat pain (Bresponder^) S2), the ACC and the thalamus. Moreover, we added the pri- after TVNS (t = −3.35; P =0.024), whereas 12 reacted with mary motor cortex (M1c) because Brown and colleagues adecreasedpainthreshold(Bnon-responder^)afterTVNS (2011) found classification of thermal stimuli as painful to (t =3.39; P =0.012; Fig. 3a and Supplementary table). be associated with greater fMRI-responses in the bilateral Responders and non-responders did not differ in age mid-insular cortices, bilateral S2, contralateral PIC, contralat- (p =0.51)andgender(p =0.66). eral S1 and the contralateral M1c. Besides, we included the amygdala in our ROI-analysis, since it was shown to play an fMRI activation important role in the expectancy of pain (Ziv et al. 2010). Furthermore, areas whose activation is known to be correlated During pain stimulation of the right forearm under placebo with vegetative stimulation were selected as ROIs: the ventral intervention, fMRI signal increased in the left anterior insula, prefrontal cortex (PFC), the caudate nucleus (CN) (Freund the right posterior insula, the right thalamus and the anterior et al. 2009), the dorsal brain stem and the hypothalamus cingulate cortex (Table 1). During pain stimulation combined (Dietrich et al. 2008;Krausetal.2013;Rinaman2010; Becerra et al. 1999). For anatomic description and ROI-defi- Table 1 fMRI activation in cerebral regions of interest (ROIs) of 20 nition, the Automated Anatomical Labeling atlas (Tzourio- participants during exposure to experimental heat pain Mazoyer et al. 2002) was used. A volume of interest for the Intervention ROI T value X Y Z hypothalamus was created by a 5 mm centered sphere around the fMRI activation maxima at the coordinates [x =10, y =0, Placebo Left anterior insula * 5.63 −32 12 3 z = −4] in the Talairach space reported in a study on vegetative Right posterior insula 4.15 32 20 6 modulation (Kroemer et al. 2013). Right thalamus 4.94 18 −10 6 To examine associations of fMRI activation of areas Anterior cingulate cortex 4.65 −16 42 3 in the pain matrix and pain reduction by TVNS, the TVNS Left anterior insula 4.68 −32 20 9 highest beta-values per ROI for the contrast, differenti- Left posterior insula 4.15 −34 0 9 ating the verum from the placebo condition in all par- Right posterior insula 4.51 34 20 0 ticipants showing pain reduction under TVNS, were Right ventral prefrontal 5.29 44 56 −3 correlated. A linear regression analysis was performed Right caudate nucleus 4.84 14 −624 for fMRI activation duringeachcondition(TVNSor placebo) over all participants with changes of individual ROI with p < 0.05 (after FWE correction) heat pain thresholds before and after the study session TVNS transcutaneous vagal nerve stimulation as a factor. * p < 0.05 after FDR correction Brain Imaging and Behavior with TVNS, the left anterior insula, the posterior insula bilaterally, the right ventromedial PFC and the right caudate nucleus showed significant activation (Table 1). MRI-activation in the right S2, the left posterior insula as well as bilateral in the caudate nucleus and ACC was positive- ly associated with the changes of heat pain threshold during placebo stimulation (Table 2; for insula location see Fig. 2 top). However, during TVNS, the association with changes of heat pain threshold was only seen for activation in the right anterior insula (Fig. 2 bottom; t =5.55; MNI coordinates

(x, y, z): 34, 8, 9; pFWE =0.025). Contrast analysis revealed decreased ACC activation during stimulation with TVNS in comparison with the placebo condition (placebo minus TVNS; t =4.78;MNIcoordinates

(x, y, z):-16, 40, 3; pFWE = 0.028) and increased fMRI activation in the right amygdala (TVNS minus placebo; t = 3.88;

MNI coordinates (x, y, z): 20, −6, −18; pFWE =0.035)aswell as in the M1 hand area contralateral to thermal stimulation (TVNS minus placebo; t = 3.86; MNI coordinates (x, y, z):

34, −26, 54; pFWE =0.036). The eight participants who reacted with an elevation of pain threshold during TVNS (Fig. 3a) showed a decreased fMRI signal compared to the placebo stimulation in the right caudate nucleus (t = 8.19; p = 0.021; MNI coordinates:18, Fig. 2 Positive associations of insula activation with stimulation FWE temperature. a fMRI-activation magnitude in the posterior left insula 26, 0), the vmPFC (t =4.96,pFWE =ns,MNIcoordinates:0, was associated with stimulation temperature during placebo stimulation. 30, −12), the left anterior insula (t =5.40;pFWE =0.046;MNI- b fMRI-activation magnitude in the right anterior insula was associated coordinates: −42, 14, 6), and the left hypothalamus (t =3.94; with stimulation temperature during TVNS stimulation pFWE =0.04; MNI coordinates: −14, 0, 0; Fig. 3b–d). Participants who did not respond to TVNS with increased pain posterior insular cortex, the right thalamus and the anterior thresholds did not show any fMRI signal changes under cingulate cortex, consistent with results of previous investiga- TVNS in comparison with the placebo condition. tions (Apkarian et al. 2005; Freund et al. 2009; Friebel et al. 2011). Moreover, the intensity of activation in regions processing thermal pain was associated with the heat Discussion pain thresholds. This was not only observed for cortical areas processing thermal pain (S2, posterior insula, ACC) We used region of interest (ROI) based fMRI statistics to but also for the bilateral caudate nuclei. In contrast, the inten- investigate the cerebral effects of transcutaneous vagal nerve sity of thermal stimulation during TVNS was only associated stimulation (TVNS) applied in order to relieve experimental with right anterior insula activation. heat pain in healthy volunteers. During thermal pain experi- In addition, we found decreased fMRI activation in the ence without TVNS (placebo condition), we found an increase ACC during thermal painful stimulation under TVNS. of fMRI activation in the left anterior insular and the right However, we did not find an anti-nociceptive effect of TVNS for the whole group of participants. ACC and mPFC are parts of the medial (affective-cogni- Table 2 Correlation of fMRI signal magnitude in 20 participants during thermal stimulation with the pre/post differences of heat pain tive-evaluative) pain system, which includes the medial tha- threshold using linear regression under placebo condition lamic nuclei (Ingvar 1999). Investigating specific activation during experimentally induced thermal pain in comparison ROI T value P(FWE) cluster X Y Z with pressure pain in an ALE-meta-analysis, we found activa- Caudate nucleus, left 5.10 0.017 11 −22 26 6 tion in the left ACC as well as in other sites of representations Caudate nucleus, right 4.99 0.02 20 18 −16 24 (S2, left posterior insula, medial cingulate cortex, right inferior Posterior insula, left 4.65 0.028 12 −38 −212 frontal gyrus and bilateral thalamus) to be specific for thermal SII 5.79 0.022 13 30 −16 27 pain processing in healthy participants (Friebel et al. 2011). Anterior cingulate cortex 5.06 0.023 64 −12 36 6 Furthermore, the ACC has been repeatedly associated with increasing attention, especially to emotional stimuli (Bush et Brain Imaging and Behavior

Fig. 3 Results for the participants responding to TVNS with pain yielded a reduction of fMRI activation in the left superior anterior insular threshold reduction. a Difference of pain threshold temperature before cortex (Ant. IC), caudate nucleus (NC), ventromedial prefrontal cortex and after intervention (TVNS or placebo given as mean and SEM; (vmPFC) and hypothalamus (HT) *p = 0.024, Bonferroni corrected. b–d In comparison to placebo TVNS al. 2000)and,togetherwiththemPFC,withskinconductance Hypoalgesic effects of TVNS were only shown in a sub- response during effortful mental processing (Naccache et al. group of the participants. This finding is in line with previous 2005). A deactivation of the ACC during TVNS is therefore investigations, where TVNS was associated with both anti- well in line with a general decreasing sympathetic effect indi- and pro-nociceptive effects on experimentally induced pain cated by lower attention and arousal to painful stimuli. in healthy volunteers (Johnson et al. 1991; Kraus et al. 2007; Although the absolute temperatures of thermal stimulation Laqua et al. 2014). The controversial results from these exper- were comparable between the conditions, the association of imental studies are supported by findings of previous clinical brain activation and temperature in the presence or absence of investigations, revealing anti-nociceptive and pro-nociceptive TVNS differed considerably. During TVNS, only activation reactions to experimentally induced pain in patients with an in the right anterior insula was associated with the heat inten- implanted vagal nerve stimulation device (Kirchner et al. sity (temperature of aplication). Thus, the discriminative as- 2000). Oppositional responses to TVNS could be explained pect of association with thermal pain may have been shifted to by differing individual susceptibility to TVNS (Laqua et al. a more affective (Craig et al. 2000)orevenanticipatoryeffect 2014). However, the underlying mechanisms are still to be (Brown et al. 2008; Lickteig et al. 2013). Because of the elucidated. strength of this association and specific localisation in the When focusing our analysis on participants who reacted right anterior insula, we certainly need further studies on the with an increased pain threshold to TVNS we found a reduc- combination of TVNS and thermal pain to fully understand tion of fMRI activation in the right caudate nucleus, the ven- this pehenomena. tromedial PFC, left AIC and the left hypothalamus. The Brain Imaging and Behavior caudate nucleus is interconnected with prefrontal areas that are select participants who react with measurable autonomic re- functionally related to various cognitive processes (Alexander sponse to TVNS outside of the MRI scanner. et al. 1986; Lehéricy et al. 2004). Together with the PFC, the Moreover, the pathophysiological considerations and clin- anterior cingulate as well as the insular cortices, the caudate ical data suggest that patients with chronic pain would benefit nucleus was shown to be involved in the neural processing of from TVNS more than healthy volunteers within the experi- experimentally induced heat pain (Freund et al. 2009). mental pain model (Eichhammer 2011; Napadow et al. 2012). The reduced neuronal activity of the hypothalamus in Therefore, combining the crossover design with an improved TVNS responders is in line with the neurophysiological sensitive measurement of experimental pain and neuroimag- hypothesis of non-invasive vagal nerve stimulation. ing focused on the limbic system will have certain advantage Connectivity analysis might help to understand an interaction in future studies involving patients with chronic pain. of this area with the anterior insula, the caudate nucleus and the PFC during TVNS in future studies. A decrease of vmPFC activation during TVNS is well in accordance with a broad Conclusion line of literature demonstrating the association of the vmPFC with psychophysiological responses associated with emotional In summary, thermal stimulation elicited changes of fMRI processing. For example, increased vagal impact decreasing signal in cerebral regions that are involved in the processing stress and conflict is known to be associated with activation of pain. Transcutaneous vagal nerve stimulation led to de- in the vmPFC (Anders et al. 2004). In addition, Seifert et al. creased neuronal activation in the medial pain system, where- (2009) reported reduced vmPFC activity during central sensi- as the anti-nociceptive effect of TVNS was also associated tization under systemic sodium channel blockade by lidocaine. with decreased activation of areas involved in emotional and Although our investigation has the strength of a crossover cognitive pain regulation (superior anterior insula, vmPFC design, allowing comparisons of intra-individual psychophys- and the caudate nucleus) as well as the hypothalamus as a ical responses to TVNS in contrast to placebo during thermal brain region releasing stress hormones. pain stimulation, our study lacks statistical power for demonstrating a more detailed cerebral network associated with the Acknowledgments The authors thank Vasyl Gizhko from the TVNS effects on thresholds of heat pain. Moreover, the extent Department of Experimental Physics, University of Kiev, Ukraine, for of genuine stimulation of vagal nerve afferents is unknown. his design and tests of the stimulation electrode; MTR GmbH, Germany for providing the TENS device; Dr. Konrad Meissner for Other researchers suggested stimulation of the anterior wall of providing the CHEPS thermode and the volunteers, who partici- the outer auditory canal to be most effective for TVNS (Kraus pated in this investigation. We would like to thank Henriette Hacker et al. 2007; Kraus et al. 2013). and Dr. Mike Cummings for carefully rechecking the manuscript for style Since the effect sizes were expected to be small, we used an and spelling mistakes. ROI-approach. Future studies with larger samples sizes and an Compliance with Ethical Standards All procedures followed were in improved design might be able to analyze the whole brain accordance with the ethical standards of the responsible committee on instead of ROI. human experimentation (institutional and national) and with the Helsinki The method of BLimits^,usedtomeasurethethresholdsof Declaration of 1975, and the applicable revisions at the time of the inves- experimental heat pain, seems to be rather insensitive to dis- tigation. Informed consent was obtained from all patients for being included in the study criminate effects of TVNS. Another limitation of our methodology is that it excluded Conflict of interest Taras Usichenko, René Laqua, Bianca Leutzow the possibility to measure the perception of pain under nox- and Martin Lotze declare that he/she has no conflict of interest. ious heat stimulation during fMRI session, thus, leaving the question of habituation to pain unanswered. Using the same temperature for noxious heat stimulation during fMRI sessions, rather than randomizing other painful or non-painful References temperatures, we could not exclude the expectancy and habituation effects either. All this should be avoided in future stud- Aicher, S. A., & Randich, A. (1988). Effects of intrathecal antagonists on ies, according to a recent systematic review (Duerden and the antinociception, hypotension, and bradycardia produced by in- travenous administration of [D-Ala2]-methionine enkephalinamide Albanese 2013). (DALA) in the rat. Pharmacology Biochemistry and Behavior, In order to measure anti-nociceptive effects of TVNS, more 30(1), 65–72. sensitive measurement methods (e.g., using so-called dynamic Alexander, G. E., DeLong, M. R., & Strick, P. L. (1986). Parallel orga- methods of experimental pain measurement) should be used nization of functionally segregated circuits linking basal ganglia and cortex. Annual Review of Neuroscience, 9,357–381. for that purpose (Grosen et al. 2013). Therefore, it might be Anders, S., Lotze, M., Erb, M., Grodd, W., & Birbaumer, N. (2004). Brain advantageous to apply a sensitization model for allodynia activity underlying emotional valence and arousal: A response- (Jürgens et al. 2014). Another strategy would be to pre- related fMRI study. Human Brain Mapping, 23(4), 200–209. Brain Imaging and Behavior

Apkarian, A. V., Bushnell, M. C., Treede, R. D., & Zubieta, J. K. (2005). transcutaneous electrical nerve stimulation in the left outer auditory Human brain mechanisms of pain perception and regulation in canal - a pilot study. Brain Stimulation, 6(5), 798–804. health and disease. European Journal of Pain, 9(4), 463–484. Kroemer, N. B., Guevara, A., Vollstädt-Klein, S., & Smolka, M. N. (2013). Becerra, L. R., Breiter, H. C., Stojanovic, M., Fishman, S., Edwards, A., Nicotine alters food-cue reactivity via networks extending from the Comite, A. R., et al. (1999). Human brain activation under con- hypothalamus. Neuropsychopharmacology, 38(11), 2307–2314. trolled thermal stimulation and habituation to noxious heat: an Laqua, R., Leutzow, B., Wendt,M.,&Usichenko,T.(2014). fMRI study. Magnetic Resonance in Medicine, 41(5), 1044–1057. Transcutaneous vagal nerve stimulation may elicit anti- and pro- Brown, C. A., Seymour, B., El-Deredy, W., & Jones, A. K. (2008). nociceptive effects under experimentally-induced pain - a crossover Confidence in beliefs about pain predicts expectancy effects on pain placebo-controlled investigation. Autonomic Neuroscience, perception and anticipatory processing in right anterior insula. Pain, 185(10), 120–122. 139(3), 324–332. Lehéricy, S., Ducros, M., Van de Moortele, P. F., Francois, C., Thivard, L., Brown, J. E., Chatterjee, N., Younger, J., & Mackey, S. (2011). Towards a Poupon, C., et al. (2004). Diffusion tensor fiber tracking shows distinct physiology-based measure of pain: patterns of human brain activity corticostriatal circuits in humans. Annals of Neurology, 55(4), 522–529. distinguish painful from non-painful thermal stimulation. PloS One, Leutzow, B., Lange, J., Gibb, A., Schroeder, H., Nowak, A., Wendt, M., 6(9), e24124. & Usichenko, T. I. (2013). Vagal sensory evoked potentials disap- Bush, G., Luu, P., & Posner, M. I. (2000). Cognitive and emotional pear under the neuromuscular block – an experimental study. Brain influences in anterior cingulate cortex. Trends in Cognitive Stimulation, 6(5), 812–816. Science, 4(6), 215–222. Lickteig, R., Lotze, M., & Kordass, B. (2013). Successful therapy for Craig, A. D., Chen, K., Bandy, D., & Reiman, E. M. (2000). temporomandibular pain alters anterior insula and cerebellar repre- Thermosensory activation of insular cortex. Nature Neuroscience, sentations of occlusion. Cephalgia, 33(15), 1248–1257. 3(2), 184–190. Multon, S., & Schoenen, J. (2005). Pain control by vagus nerve stimula- Dietrich, S., Smith, J., Scherzinger, C., Hofmann-Preiss, K., Freitag, T., tion: from animal to man…and back. Acta Neurologica Belgica, Eisenkolb, A., et al. (2008). A novel transcutaneous vagus nerve 105(2), 62–67. stimulation leads to brainstem and cerebral activations measured Naccache, L., Dehaene, S., Cohen, L., Habert, M. O., Guichart-Gomez, by functional MRI. Biomed Tech, 53(3), 104–111. E., Galanaud, D., & Willer, J. C. (2005). Effortless control: execu- Duerden, E. G., & Albanese, M. C. (2013). Localization of pain-related tive attention and conscious feeling of mental effort are dissociable. brain activation: a meta-analysis of neuroimaging data. Human Neuropsychologia, 43(9), 1318–1328. Brain Mapping, 34(1), 109–149. Napadow, V., Edwards, R. R., Cahalan, C. M., Mensing, G., Greenbaum, Eichhammer, P. (2011). (2011). Potential for transcutaneous vagus nerve S., Valovska, A., et al. (2012). Evoked pain analgesia in chronic stimulation in pain management. Pain Manag, 1(4), 287–289. pelvic pain patients using respiratory-gated auricular vagal afferent Freund, W., Klug, R., Weber, F., Stuber, G., Schmitz, B., & Wunderlich, nerve stimulation. Pain Medicine, 13(6), 777–789. A. P. (2009). Perception and suppression of thermally in- Nomura, S., & Mizuno, N. (1984). Central distribution of primary affer- duced pain: a fMRI study. Somatosensory and Motor Research, ent fibers in the Arnold’s nerve (the auricular branch of the vagus 26(1), 1–10. nerve): a transganglionic HRP study in the cat. Brain Research, Friebel, U., Eickhoff, S. B., & Lotze, M. (2011). Coordinate-based meta- 292(2), 199–205. analysis of experimentally induced and chronic persistent neuro- Ossipov, M. H., Dussor, G. O., & Porreca, F. (2010). Central modulation pathic pain. NeuroImage, 58(4), 1070–1080. of pain. The Journal of Clinical Investigation, 120(11), 3779–3787. George, M. S., Nahas, Z., Borckardt, J. J., Anderson, B., Burns, C., Kose, PATHWAY Pain & Sensory Evaluation System. (2008). System Overview S., & Short, E. B. (2007). Vagus nerve stimulation for the treatment (8th ed., p. 17). Israel: Medoc Ltd. of depression and other neuropsychiatric disorders. Expert Review of Peuker, E. T., & Filler, T. J. (2002). Nerve supply of the human auricle. Neurotherapeutics, 7(1), 63–74. Clinical Anatomy, 15(1), 35–37. Gray H. (1918). Anatomy of the human body. X. The organs of the senses Randich, A., Ren, K., & Gebhart, G. F. (1990). Electrical stimulation of and the common integument. The external ear. Lea & Febiger 146. cervical vagal afferents. II. Central relays for behavioral Grosen, K., Fischer, I. W., Olesen, A. E., & Drewes, A. M. (2013). Can antinociception and arterial blood pressure decreases. Journal of quantitative sensory testing predict responses to analgesic treat- Neurophysiology, 64(4), 1115–1124. ment? European Journal of Pain, 17(9), 1267–1280. Rinaman, L. (2010). Ascending projections from the caudal visceral nu- Ingvar, M. (1999). Pain and functional imaging. Philosophical cleus of the solitary tract to brain regions involved in food intake and Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological energy expenditure. Brain Research, 1350(9), 18–34. Sciences, 354(1387), 1347–1358. Romoli, M., Allais, G., Airola, G., Benedetto, C., Mana, O., Giacobbe, Johnson, M. I., Hajela, V. K., Ashton, C. H., & Thompson, J. W. (1991). M., et al. (2014). Ear acupuncture and fMRI: a pilot study for The effects of auricular transcutaneous electrical nerve stimulation assessing the specificity of auricular points. Neurological Sciences, (TENS) on experimental pain threshold and autonomic function in 35(S1), 189–193. healthy subjects. Pain, 46(3), 337–342. Seifert, F., Bschorer, K., De Col, R., Filitz, J., Peltz, E., Koppert, W., & Jürgens, T. P., Sawatzki, A., Henrich, F., Magerl, W., & May, A. (2014). Maihöfner, C. (2009). Medial prefrontal cortex activity is predictive An improved model of heat-induced hyperalgesia–repetitive phasic for hyperalgesia and pharmacological antihyperalgesia. The Journal heat pain causing primary hyperalgesia to heat and secondary of Neuroscience, 29(19), 6167–6175. hyperalgesia to pinprick and light touch. PLoS One, 9(6), e99507. Tzourio-Mazoyer, N., Landeau, B., Papathanassiou, D., Crivello, F., Kirchner, A., Birklein, F., Stefan, H., & Handwerker, H. O. (2000). Left Etard, O., Delcroix, N., et al. (2002). Automated anatomical labeling vagus nerve stimulation suppresses experimentally induced pain. of activations in SPM using a macroscopic anatomical parcellation Neurology, 55(1), 1167–1171. of the MNI MRI single-subject. NeuroImage, 15(1), 273–289. Kraus, T., Hösl, K., Kiess, O., Schanze, A., Kornhuber, J., & Forster, C. Ventureyra, E. C. (2000). Transcutaneous vagus nerve stimulation for (2007). BOLD fMRI deactivation of limbic and temporal brain partial onset seizure therapy. A new concept. Child Nerv Syst, structures and mood enhancing effect by transcutaneous vagus nerve 16(2), 101–102. stimulation. Journal of Neural Transmission, 114(11), 1485–1493. Ziv, M., Tomer, R., Defrin, R., & Hendler, T. (2010). Individual sensitivity Kraus, T., Kiess, O., Hösl, K., Terekhin, P., Kornhuber, J., & Forster, C. to pain expectancy is related to differential activation of the hippocam- (2013). CNS BOLD fMRI effects of sham-controlled pus and amygdala. Human Brain Mapping, 31(2), 326–338. Danksagung

Ich möchte mich hiermit bei Herrn Prof. Dr. med. Taras Usichenko, besonders für die Themastellung, die hervorragende Betreuung und seine ständige Hilfsbereitschaft bedanken.

Mein Dank gilt auch Prof. Dr. med. Martin Lotze und dem Team des Baltic Imaging Centers für die Unterstützung bei der Planung, Durchführung und Auswertung der fMRT-Untersuchungen.

Besonderen Dank auch an die gesamte Arbeitsgruppe für die freundschaftliche Arbeitsatmosphäre, die vielen wertvollen Anregungen und die stete Hilfsbereitschaft.

Bei meiner Freundin Anna, meinen Eltern und meinen Schwiegereltern möchte ich mich ganz besonders herzlich bedanken für die uneingeschränkte Unterstützung ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.