Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Functional effects of transcranial direct stimulation in musicians with focal dystonia

Buttkus, Franziska

Focal dystonia in musicians is a task-specific movement disorder which presents itself as a loss of voluntary motor control in extensively trained movements while playing a musical instrument. The disorder represents one of the most serious conditions as yet to be resolved in the field of musician’s medicine. Musicians suffering from the disorder are highly disabled professionally, often leading to the termination of their musical career. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive tool to guide neuroplasticity and modulate cortical function by a tonic stimulation with weak direct currents. Anodal tDCS enhances cortical excitability, whereas cathodal tDCS reduces it. The present thesis aims to investigate the functional effects of tDCS as new treatment approach for focal hand dystonia in musicians and to provide new insights into the pathophysiology of focal dystonia. The first experimental study of the present thesis addresses the question as to whether a single session of cathodal tDCS over the primary motor cortex facilitates fine motor control in a group of guitarists suffering from focal hand dystonia. We hypothesized that cathodal tDCS over the primary motor cortex reduces the overshooting activity in musician’s dystonia and improves fine motor control due to an enhanced signal-to-noise ratio in the motor system. Professional guitarists (n=10) with musician’s dystonia played exercises before, directly after and 60min after cathodal tDCS. Guitar exercises were video-documented and symptoms were evaluated by three independent experts. No beneficial effect of cathodal tDCS on fine motor control was found for the entire group. In the second experiment, tDCS was combined with another treatment approach to musician’s dystonia: Nine professional pianists with musician’s dystonia carried out sensorimotor retraining at the instrument while being stimulated over the primary motor cortex. Sensorimotor retraining is a therapeutic approach to focal dystonia in musicians and aims to establish new non-dystonic movements through motor learning processes. Anodal tDCS has been shown to facilitate motor learning, whereas cathodal tDCS improves performance in overlearned tasks. Thus, we tested both types of stimulation and their effects on sensorimotor retraining. Again no beneficial effects of a single-session tDCS-supported sensorimotor retraining on fine motor control were found. The third experiment investigated whether daily repeated tDCS-supported retraining facilitates fine motor control of a single pianist with focal hand dystonia. tDCS was applied for five consecutive days over the primary motor cortex while the pianist carried out sensorimotor retraining. Three conditions (anodal, placebo and cathodal) were tested in three weeks, with a time interval of several weeks between the conditions. Improvement of fine motor control after retraining and tDCS was found in all three conditions. Cathodal tDCS was found to prolong the effect of retraining. However, this result requires further verification as cumulative retraining effects in the cathodal stimulation week (third week) might have influenced this outcome. To summarize previous studies and the results of the present thesis, the application of tDCS when limited to a single session is not a helpful treatment option for musician’s dystonia. Future studies should concentrate on the effects of repeated cathodal stimulation applied over several days or even weeks. Sensorimotor retraining yielded very promising results in the single case report. Research studies should aim at indentifying optimal retraining strategies in a large number of affected musicians. As therapeutic options are limited in patients with musician’s dystonia, prevention should be addressed as an important goal in music high schools and orchestras.

Die fokale Dystonie bei Musikern ist eine neurologische Bewegungserkrankung, die durch den Verlust der willkürlichen Feinmotorik hoch trainierter Bewegungsabläufe am Musikinstrument gekennzeichnet ist. Die Erforschung und die Behandlung der Musikerdystonie stellt eine der größten Herausforderungen im Bereich der Musikermedizin dar. Von fokaler Dystonie betroffene Musiker sind in der Ausübung ihres Berufes stark eingeschränkt und  oft gezwungen, ihre musikalische Karriere aufzugeben. Mit Hilfe der schwachen transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) lässt sich über eine Verschiebung des Ruhemembranpotentials die zerebrale Erregbarkeit kortikaler Neurone modulieren. Durch anodale Reizung wird die kortikale Exzitabilität erhöht, durch kathodale Reizung vermindert. Die vorliegende Dissertation untersucht die funktionellen Auswirkungen der transkraniellen Gleichstromstimulation auf die Kontrolle der Feinmotorik bei Musikern mit fokaler Dystonie. Sie versucht, die Möglichkeiten der transkraniellen Gleichstromstimulation als neuen Therapieansatz der Musikerdystonie auszuloten und versucht, neue Einblicke in die Pathophysiologie der Erkrankung zu gewinnen. Das erste Experiment der vorliegenden Arbeit untersucht, ob eine einmalige kathodale Stimulation des primären Motorkortex bei Gitarristen mit fokaler Dystonie die Kontrolle der Feinmotorik verbessert. Unsere Hypothese lautete, dass kathodale transkranielle Gleichstromstimulation die überschießende Aktivierung des motorischen Systems reduziert und mittels eines verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses die feinmotorische Kontrolle erleichtert. Eine Gruppe professioneller Gitarristen mit fokaler Dystonie (n = 10) spielte eine Reihe von Übungen direkt vor, direkt nach und 60 Minuten nach der Stimulation. Die Güte der Feinmotorik wurde über ein standardisiertes Video-Rating von drei Fachleuten beurteilt. Es konnte keine Veränderung der feinmotorischen Kontrolle bei den Gitarristen festgestellt werden. Für das zweite Experiment wurde die transkranielle Gleichstromstimulation mit einem sensomotorischen Retraining speziell zur Therapie der Musikerdystonie kombiniert: Neun professionelle Pianisten mit fokaler Dystonie führten Retrainingsübungen am Klavier aus, während tDCS über dem primären motorischen Kortex appliziert wurde. Ziel des sensomotorischen Retrainings ist das Wieder-Erlernen gesunder und alternativer Bewegungsabläufe am Instrument. Es wurde mehrfach gezeigt, dass anodale und kathodale Gleichstromstimulation motorisches Lernen unterstützen kann. Unsere Hypothese lautete daher, dass die Effekte eines sensomotorischen Retrainings am Instrument durch eine gleichzeitige Reizung mit Gleichstromstimulation verstärkt werden. Die Ergebnisse des zweiten Experiments zeigten jedoch, dass keine Veränderung der feinmotorischen Kontrolle bei den Pianisten eintrat. Das dritte Experiment untersucht die Auswirkungen wiederholten tDCS-unterstützen Retrainings bei einem Pianisten mit fokaler Dystonie. Anodale, kathodale und plazebo-tDCS wurde über dem primären motorischen Kortex appliziert, während der Pianist ein sensomotorisches Retraining am Klavier ausführte. Die feinmotorische Kontrolle verbesserte sich in allen drei Bedingungen signifikant. Die Verbesserung hielt bei Reizung mit kathodaler Stimulation länger an. Fasst man die Ergebnisse früherer Studien und die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen, kann die transkranielle Gleichstromstimulation nicht als eine vielversprechende Methode zur Therapie der Musikerdystonie empfohlen werden. Zukünftige Studien sollten das Ziel haben, Effekte der wiederholten kathodalen Stimulation über mehrere Tage oder sogar Wochen an größeren Gruppen betroffener Musiker zu untersuchen. Der Behandlungsansatz des sensomotorischen Retrainings hat in der Einzelfallstudie der vorliegenden Arbeit ein großes therapeutisches Potential gezeigt. Die Erforschung optimaler Retrainingsstrategien mit Hilfe größerer Gruppen betroffener Musiker erscheint vielversprechend. Da die therapeutischen Behandlungsmöglichkeiten der Musikerdystonie insgesamt leider begrenzt sind, sollte die Prävention der Erkrankung an Musikhochschulen und in Orchestern stärker gefördert werden.

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Buttkus, Franziska: Functional effects of transcranial direct stimulation in musicians with focal dystonia. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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