Transcranial direct current stimulation (tDCS) causes a complex spatial distribution of the electric current flow in the head which hampers the accurate localization of the stimulated brain areas. In this study we show how various anatomical features systematically shape the electric field distribution in the brain during tDCS. We constructed anatomically realistic finite element (FEM) models of two individual heads including conductivity anisotropy and different skull layers. We simulated a widely employed electrode montage to induce motor cortex plasticity and moved the stimulating electrode over the motor cortex in small steps to examine the resulting changes of the electric field distribution in the underlying cortex. We examined the effect of skull thickness and composition on the passing currents showing that thinner skull regions lead to higher electric field strengths. This effect is counteracted by a larger proportion of higher conducting spongy bone in thicker regions leading to a more homogenous current over the skull. Using a multiple regression model we could identify key factors that determine the field distribution to a significant extent, namely the thicknesses of the cerebrospinal fluid and the skull, the gyral depth and the distance to the anode and cathode. These factors account for up to 50% of the spatial variation of the electric field strength. Further, we demonstrate that individual anatomical factors can lead to stimulation "hotspots" which are partly resistant to electrode positioning. Our results give valuable novel insights in the biophysical foundation of tDCS and highlight the importance to account for individual anatomical factors when choosing an electrode montage.

Abstract The need for realistic electric field calculations in human noninvasive brain stimulation is undisputed to more accurately determine the affected brain areas. However, using numerical techniques such as the finite element method (FEM) is methodologically complex, starting with the creation of accurate head models to the integration of the models in the numerical calculations. These problems substantially limit a more widespread application of numerical methods in brain stimulation up to now. We introduce an optimized processing pipeline allowing for the automatic generation of individualized high‐quality head models from magnetic resonance images and their usage in subsequent field calculations based on the FEM. The pipeline starts by extracting the borders between skin, skull, cerebrospinal fluid, gray and white matter. The quality of the resulting surfaces is subsequently improved, allowing for the creation of tetrahedral volume head meshes that can finally be used in the numerical calculations. The pipeline integrates and extends established (and mainly free) software for neuroimaging, computer graphics, and FEM calculations into one easy‐to‐use solution. We demonstrate the successful usage of the pipeline in six subjects, including field calculations for transcranial magnetic stimulation and transcranial direct current stimulation. The quality of the head volume meshes is validated both in terms of capturing the underlying anatomy and of the well‐shapedness of the mesh elements. The latter is crucial to guarantee the numerical robustness of the FEM calculations. The pipeline will be released as open‐source, allowing for the first time to perform realistic field calculations at an acceptable methodological complexity and moderate costs. Hum Brain Mapp, 2013. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

The spatial extent of the effects of transcranial magnetic stimulation (TMS) on neural tissue is only coarsely understood. One key problem is the realistic calculation of the electric field induced in the brain, which proves difficult due to the complex gyral folding pattern that results in an inhomogeneous conductivity distribution within the skull. We used the finite element method (FEM) together with a high-resolution volume mesh of the human head to better characterize the field induced in cortical gray matter (GM). The volume mesh was constructed from T1-weighted structural magnetic resonance images to allow for an anatomically accurate modeling of the gyrification pattern. Five tissue types were taken into account, corresponding to skin, skull, cerebrospinal fluid (CSF) including the ventricles as well as cortical gray and white matter. We characterized the effect of the current direction on the electric field distribution in GM. Importantly, the field strength in GM was increased by up to 51% when the induced currents were perpendicular to the local gyrus orientation. This effect was mainly restricted to the gyral crowns and lips, but did not extend into the sulcal walls. As a result, the focality of the fields induced in GM was increased. This enhancement effect might in part underlie the dependency of stimulation thresholds on coil orientation, as commonly observed in TMS motor cortex studies. In contrast to the clear-cut effects of the gyrification pattern on the induced field strength, current directions were predominantly influenced by the CSF–skull boundary.

In transcranial magnetic stimulation (TMS), knowledge of the distribution of the induced electric field is fundamental for a better understanding of the position and extent of the stimulated brain region. However, the different tissue types and the varying fibre orientation in the brain tissue result in an inhomogeneous and anisotropic conductivity distribution and distort the electric field in a non-trivial way. Here, the field induced by a figure-8 coil is characterized in detail using finite element calculations and a geometrically accurate model of an individual head combined with high-resolution diffusion-weighted imaging for conductivity mapping. It is demonstrated that the field strength is significantly enhanced when the currents run approximately perpendicular to the local gyral orientation. Importantly, the spatial distribution of this effect differs distinctly between gray matter (GM) and white matter (WM): While the field in GM is selectively enhanced at the gyral crowns and lips, high field strengths can still occur rather deep in WM. Taking the anisotropy of brain tissue into account tends to further boost this effect in WM, but not in GM. Spatial variations in the WM anisotropy affect the local field strength in a systematic way and result in localized increases of up to 40% (on average ~ 7% for coil orientations perpendicular to the underlying gyri). We suggest that these effects might create hot spots in WM that might contribute to the excitation of WM structures by TMS. However, our results also demonstrate the necessity of using realistic nerve models in the future to allow for more definitive conclusions.

Abstract Transcranial electric stimulation (TES) is an emerging technique, developed to non-invasively modulate brain function. However, the spatiotemporal distribution of the intracranial electric fields induced by TES remains poorly understood. In particular, it is unclear how much current actually reaches the brain, and how it distributes across the brain. Lack of this basic information precludes a firm mechanistic understanding of TES effects. In this study we directly measure the spatial and temporal characteristics of the electric field generated by TES using stereotactic EEG (s-EEG) electrode arrays implanted in cebus monkeys and surgical epilepsy patients. We found a small frequency dependent decrease (10%) in magnitudes of TES induced potentials and negligible phase shifts over space. Electric field strengths were strongest in superficial brain regions with maximum values of about 0.5 mV/mm. Our results provide crucial information of the underlying biophysics in TES applications in humans and the optimization and design of TES stimulation protocols. In addition, our findings have broad implications concerning electric field propagation in non-invasive recording techniques such as EEG/MEG.

ABSTRACT Weak extracellular electric fields can influence spike timing in neural networks. Approaches to impose such fields on the brain in a noninvasive manner have high potential for novel treatments of neurological and psychiatric disorders. One of these methods, transcranial alternating current stimulation (TACS), is hypothesized to affect spike timing and cause neural entrainment. However, the conditions under which these effects occur in-vivo are unknown. Here, we show that TACS modulates spike timing in awake nonhuman primates (NHPs) in a dose-dependent fashion. Recording single-unit activity from pre-and post-central gyrus regions in NHPs during TACS, we found that a larger population of neurons became entrained to the stimulation waveform for higher stimulation intensities. Performing a cluster analysis of changes in interspike intervals, we identified two main types of neural responses to TACS – increased burstiness and phase entrainment. Our results demonstrate the ability of TACS to affect spike-timing in the awake primate brain and identify fundamental neural mechanisms. Concurrent electric field recordings demonstrate that spike-timing changes occur with stimulation intensities readily achievable in humans. These results suggest that novel TACS protocols tailored to ongoing brain activity may be a potent tool to normalize spike-timing in maladaptive brain networks and neurological disease.

Abstract Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation technique widely used in research and clinical applications. However, its mechanism of action and the neural response to TMS are still poorly understood. Multi-scale modeling can complement experimental research and provide a framework between the physical input parameters and the subcellular neural effects of TMS. At the macroscopic level, sophisticated numerical models exist to estimate the induced electric fields in whole-brain volume conductor models. However, multi-scale computational modeling approaches to predict TMS cellular and subcellular responses, crucial to understanding TMS plasticity inducing protocols, are not available so far. Here, we develop a multi-scale Neuron Modeling for TMS toolbox ( NeMo-TMS ) that enables researchers to easily generate accurate neuron models from morphological reconstructions, couple them to the external electric fields induced by TMS, and to simulate the cellular and subcellular responses of the neurons. Both single-pulse and rTMS protocols can be simulated and results visualized in 3D. We openly share our toolbox and provide example scripts and datasets for the user to explore. NeMo-TMS toolbox ( https://github.com/OpitzLab/NeMo-TMS ) allows researchers a previously not available level of detail and precision in realistically modeling the physical and physiological effects of TMS.

Abstract Altering cortical activity using transcranial direct current stimulation (tDCS) has been shown to improve working memory (WM) performance. Due to large inter-experimental variability in the tDCS montage configuration and strength of induced electric fields, results have been mixed. Here, we present a novel meta-analytic method relating behavioral effect sizes to electric field strength to identify brain regions underlying largest tDCS-induced WM improvement. Simulations on 69 studies targeting left prefrontal cortex showed that tDCS electric field strength in lower dorsolateral prefrontal cortex (Brodmann area 45/47) relates most strongly to improved WM performance. This region explained 7.8% of variance, equaling a medium effect. A similar region was identified when correlating WM performance and electric field strength of right prefrontal tDCS studies (n = 18). Maximum electric field strength of five previously used tDCS configurations were outside of this location. We thus propose a new tDCS montage which maximizes the tDCS electric field strength in that brain region. Our findings can benefit future tDCS studies that aim to affect WM function. Highlights - We summarize the effect of 87 tDCS studies on working memory performance - We introduce a new meta-analytic method correlating tDCS electric fields and performance - tDCS-induced electric fields in lower DLPFC correlate significantly with improved working memory - The lower DLPFC was not maximally targeted by most tDCS montages and we provide an optimized montage

Abstract Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a popular method for non-invasive neuromodulation in human research and therapy. However, what constitutes an effective dose in tACS applications is still a matter of investigation and debate. Here, we examined available literature data regarding the effects of alternating current (AC)-induced electric fields on cellular-level neural activity. The literature search identified 16 relevant experimental reports that utilized brain slices, anesthetized rodents, and awake/behaving animal models. We implemented a probabilistic meta-analysis to estimate the minimum effective dose (MED) required for inducing detectable significant neural changes with AC stimulation. The results showed that AC stimulation at 0.3 mV/mm in awake/behaving mammals leads to an 80% probability of inducing minimum neural effects. A similar level of effectiveness in brain slices and anesthetized mammals required 0.7 mV/mm. In conclusion, (transcranial) alternating current stimulation is significantly more effective in awake than in anesthetized brains. The proposed dose targets can serve as a practical guideline for tACS in humans.