Personalized brain electrical stimulation (tACS) for Pain Modulation: a focus on Individual Alpha Frequency.

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is hypothesized to modulate oscillatory activity related to pain perception, particularly through modulation of individual peak alpha frequency (IAF). In this study, we aimed to assess whether tACS can shift IAF value and if the variation is related with changes in pain perception, measured through Warm Detection Threshold (WDT) and Heat Pain Threshold (HPT). 14 participants received personalized alpha-tACS on M1 while a thermonociceptive stimulation was delivered on the forearm. For each subject, stimulation frequency was determined using an innovative entrainment-based algorithm: the Individual Arnold Tongue method. We decomposed alpha-band spectrum into aperiodic and periodic components using the FOOOF algorithm, then fitted the periodic component with a Gaussian curve. Gaussian fit’s parameters - IAF, Power (PW) and Bandwidth (BW) - from the pre-stimulation condition were used to compute each participant’s Arnold tongue - the parameter space where neural activity is believed to synchronize with stimulation. The frequency of stimulation was tailored to increase IAF, and its value depended on the Individual Arnold Tongue parameters. A linear mixed model compared the effects of “time” (pre vs post), “condition” (active vs sham) and their interaction on IAF (during Eyes Closed, Eyes Open and thermonociceptive stimulation), WDT and HPT. Kendall correlation was employed to evaluate the relationship between ΔIAF and ΔHPT. Although none of the analyses yielded statistically significant results, this project underscores the critical role of personalized neuromodulation protocols by proposing an innovative algorithm to tailor tACS to the intrinsic neural oscillations of each participant.

La stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) è un dispositivo di neurostimolazione non-invasiva utilizzato per modulare l’attività neurale oscillatoria associata alla percezione del dolore, regolando il picco individuale del ritmo alpha (individual peak alpha frequency (IAF)). Lo studio si propone di valutare se la tACS sia in grado di modificare il valore dell’IAF, e se a questa variazione siano associati dei cambiamenti nella percezione del dolore, misurata tramite la Warm Detection Threshold (WDT) e la Heat Pain Threshold (HPT). 14 partecipanti sono stati sottoposti ad una stimolazione personalizzata erogata al di sopra della corteccia motoria primaria (M1), mentre ricevevano una stimolazione termonocicettiva sul braccio dominante. Per ogni soggetto, la frequenza della tACS è stata determinata tramite un innovativo algoritmo basato sulla teoria dell’entrainment: il metodo Individual Arnold Tongue. Lo spettro nella banda alpha è stato decomposto nelle sue componenti aperiodica e periodica tramite l’algoritmo Fitting Oscillations and One Over F (FOOOF), e in seguito la componente periodica è stata fittata tramite una curva Gaussiana. I parametri del fit gaussiano – IAF, Power (PW) e Bandwidth (BW) – della condizione pre-stimolazione sono stati utilizzati per determinare l’Arnold tongue individuale, lo spazio parametrico in cui si ipotizza sia possibile l’allineamento tra l’oscillazione neuronale e la stimolazione esterna. La frequenza di stimolazione viene selezionata in modo che aumenti il valore di IAF, e il suo valore dipende dai parametri dell’Arnold Tongue. I Linear Mixed Models sono stati utilizzati per valutare gli effetti di “Tempo” (pre vs post stimolazione), “Condizione” (active vs sham) e la loro interazione sull’IAF (nelle registrazioni Occhi Chiusi, Occhi Aperti, e durante la stimolazione termonocicettiva), su WDT e HPT. La correlazione di Kendall è stata impiegata per stimare la relazione tra le variazioni ΔIAF e ΔHPT. Nonostante l’assenza di risultati statisticamente significativi, questo progetto sottolinea il ruolo fondamentale della neurostimolazione personalizzata, proponendo un algoritmo personalizzato per adattare la tACS alle oscillazioni neuronali intrinseche di ogni partecipante.