Pulsed taVNS-elicited pupil dilation: effects of intermixed stimulation, sham location and respiratory phase

Hoewel pulsed taVNS pupilverwijding kan veroorzaken bij intermixing met sham-stimulatie op het oorlelletje, worden de resultaten dat dit effect specifiek via de vagusnerf wordt gemedieerd, ondermijnd door het ontbreken van een effect bij sham-stimulatie op de scapha en het uitblijven van een versterking tijdens uitademing.

De kern

De Kern: Een Proefje met Oorstimulatie en Pupilgrootte

Stel je voor dat je hersenen een besturingscentrum hebben (de hersenstam) dat je alertheid regelt. Dit centrum is als een lantaarnpaal in de nacht: als hij fel brandt, ben je alert en scherp. Wetenschappers willen weten of ze deze lantaarnpaal kunnen aanzetten door een zacht elektrisch stroompje door je oor te sturen. Dit heet taVNS (transcutane vaguszenuwstimulatie).

Hoe weten ze of de lantaarnpaal brandt? Ze kijken naar je pupillen. Als je hersenen alert worden, worden je pupillen groter, net als een camera die meer licht binnenlaat.

De onderzoekers van dit artikel (Martin Kolnes en Sander Nieuwenhuis) wilden drie dingen ontdekken:

1. Werkt het als je de echte stimulatie en een nep-stimulatie (schijn) door elkaar gooit in één sessie?
2. Is de plek waar je de nep-stimulatie doet belangrijk?
3. Werkt het beter als je uitademt of inademt?

Hier zijn de resultaten, vertaald naar alledaagse taal:

---

1. De "Mix-en-Mix" Test (Experiment 1)

De vraag: In eerdere studies kregen mensen eerst een blokje met echte stimulatie en daarna een blokje met nep. Dat is als eerst een hele dag koffie drinken en dan een hele dag thee. Je weet niet of je wakker bent van de koffie of omdat je 's ochtends wakker was. De onderzoekers wilden weten: werkt het ook als we koffie en thee door elkaar serveren in één blok?

Het experiment: Ze gaven 40 mensen wisselend een echte prik in hun oor (op de plek waar de zenuw zit) en een nep-prik op het oorlelletje. Elke prik duurde 3,4 seconden.

Het resultaat: Het was een beetje een teleurstelling. Ze zagen een klein beetje grotere pupillen bij de echte prik, maar het bewijs was niet sterk genoeg om met zekerheid te zeggen: "Ja, het werkt!"

• De les: Het mixen van echte en nep prikken maakt het lastiger om het effect te zien, vooral als de prik lang duurt. Het is alsof je probeert een zacht geluid te horen terwijl er veel ruis omheen is.

2. De "Snelle Prik" en de "Foutieve Controle" (Experiment 2)

De vraag: Misschien was de prik in het eerste experiment te lang. Wat als we hem korter maken? En wat als we de "nep-prik" op een betere plek doen?

Het experiment: Ze deden dit met 60 mensen, maar verdeelden ze in twee groepen:

• Groep A: Kreeg de echte prik in het oor en de nep-prik op het oorlelletje (zoals in de vorige studies).
• Groep B: Kreeg de echte prik in het oor en de nep-prik op de bovenkant van het oor (de schapa).

Ze gebruikten nu een heel korte prik van 1 seconde.

Het resultaat:

• Groep A (Oorlelletje): Hier werkte het! De pupillen werden duidelijk groter bij de echte prik. Het was alsof de lantaarnpaal fel oplichtte.
• Groep B (Bovenkant oor): Hier werkte het niet. De pupillen werden even groot bij de echte prik als bij de nep-prik.

Wat betekent dit?
Dit is de belangrijkste ontdekking. Als de echte prik werkt omdat hij de vaguszenuw (de "communicatiekabel" van het lichaam) raakt, dan zou de nep-prik op de bovenkant van het oor (die geen vaguszenuw heeft) geen verschil moeten maken. Maar omdat er geen verschil was tussen echt en nep bij deze groep, suggereert dit dat de pupilvergroting misschien niet komt door de vaguszenuw, maar door iets anders (zoals een algemene zenuwreactie in het oor).

3. De Ademhalingstest

De vraag: Er was een theorie dat de prik werkt als je uitademt, omdat de zenuw dan beter "luistert".

Het resultaat: Dit klopte niet. De pupillen werden juist groter als mensen inademden. Dit bleek een algemene regel te zijn: je pupillen reageren op je ademhaling, ongeacht of je een prik krijgt of niet. Het was dus geen bewijs dat de vaguszenuw op de speciale manier werkte die men dacht.

---

De Grote Conclusie (De "Moeilijke Waarheid")

Stel je voor dat je denkt dat je een auto kunt starten met een specifieke sleutel (de vaguszenuwstimulatie).

1. Je probeert het met een lange sleutel (3,4 sec): Het werkt niet goed als je de sleutel en een nep-sleutel door elkaar gebruikt.
2. Je probeert het met een korte sleutel (1 sec): Het werkt wel, maar alleen als je de nep-sleutel in een sleutelgat doet dat er heel anders uitziet (het oorlelletje).
3. Als je de nep-sleutel in een sleutelgat doet dat er precies hetzelfde uitziet als het echte gat (de bovenkant van het oor), werkt de echte sleutel niet beter dan de nep-sleutel.

Wat zeggen de onderzoekers?
Ze zeggen: "We kunnen de pupillen wel groter maken met een prik in het oor, en dat werkt zelfs als we het snel en wisselend doen. MAAR, we zijn niet meer zeker dat dit komt door de 'magische' vaguszenuw die naar de hersenen gaat. Het zou kunnen dat het gewoon een reactie is op het prikkelen van de huid of andere zenuwen in het oor."

Voor de toekomst:
Dit betekent dat wetenschappers voorzichtig moeten zijn. Ze moeten nieuwe manieren vinden om te bewijzen dat ze echt de vaguszenuw stimuleren en niet per ongeluk andere zenuwen. Het is alsof je denkt dat je een radio aan hebt gezet, maar misschien is het gewoon de batterij die warm wordt.

Kort samengevat: De techniek werkt om pupillen groter te maken, maar de "magische zenuw" die we dachten te raken, is misschien wel een illusie.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Transcutane auriculaire vagusnervestimulatie (taVNS) wordt steeds vaker gebruikt als niet-invasieve methode om het hersenstam-activatiesysteem, en specifiek het locus coeruleus-norepinefrine (LC-NE) systeem, te activeren. Pupilverwijding wordt gezien als een perifere marker voor deze LC-activiteit. Echter, eerdere studies hebben twee belangrijke beperkingen:

1. Experimenteel ontwerp: De meeste studies presenteren actieve taVNS en schijfstimulatie (sham) in gescheiden blokken of sessies. Dit introduceert confounders zoals variaties in alertheid, motivatie en mentale vermoeidheid tussen blokken, wat de interne validiteit van pupilmetingen ondermijnt.
2. Mechanistische onzekerheid: Er is weinig consensus over de optimale stimulatieparameters (duur, intensiteit) en de onderliggende anatomische pathway. De aanneming dat taVNS-geïnduceerde pupilverwijding specifiek via de vagale afferente pathway (vagus -> NTS -> LC) verloopt, is niet onomstreden.

De auteurs willen onderzoeken of het effect van gepulste taVNS op pupilverwijding behouden blijft bij geïntermixte presentatie van actieve en schijfstimulatie, en of dit effect afhankelijk is van de locatie van de schijfstimulatie (oorklep vs. scapha) en de respiratoire fase.

Methodologie

De studie bestaat uit twee experimenten met een totaal van 99 deelnemers (na uitsluiting).

Experiment 1:

• Doel: Testen van gepulste taVNS (3,4 seconden) versus schijfstimulatie op de oorklep (earlobe) binnen dezelfde blokken van proeven.
• Opzet: 39 deelnemers. Randomisatie van 12 taVNS en 12 sham-proeven per blok (5 blokken).
• Stimulatie: 3,4 seconden duur, 25 Hz, intensiteit gekalibreerd op een subjectieve rating van 9 (net onder de pijngrens).
• Meting: Pupilgrootte gemeten met een Tobii Pro eye-tracker (60 Hz).

Experiment 2:

• Doel: Verkorten van de stimulatie, testen van een alternatieve sham-locatie en meten van respiratie.
• Opzet: 60 deelnemers, verdeeld in twee tussen-proefgroepen:
  1. Oorklep-groep: Sham op de oorklep (standaard).
  2. Scapha-groep: Sham op de bovenste scapha (een gebied met vergelijkbare dichtheid aan sympathische zenuwvezels als de cymba concha, maar zonder vagale innervatie).
• Stimulatie: Verkort naar 1,0 seconde per proef.
• Respiratie: Continu gemeten met een respiratieband (BIOPAC) om de fase (inademing/uitademing) bij stimulatie te correleren met pupilreacties.
• Analyse: Gebruik van Bayesiaanse t-tests, niet-parametrische tests (Wilcoxon), en gemengde ANOVA's voor respiratoire bins.

Belangrijkste Bijdragen

1. Validatie van geïntermixte designs: Het is de eerste studie die toont dat taVNS-effecten op pupilverwijding behouden blijven wanneer actieve en schijfstimulatie willekeurig worden gemengd binnen dezelfde blokken, mits de stimulatiekort genoeg is (1 seconde).
2. Kritische evaluatie van sham-locaties: Het vergelijken van de oorklep met de scapha als controlocatie biedt inzicht in de specifieke bijdrage van de vagusnervestimulation versus algemene zenuwactivatie.
3. Respiratoire interactie: Het onderzoek naar de relatie tussen respiratoire fase en pupilreactie test de hypothese dat de vagus-NTS-LC pathway specifiek wordt gemoduleerd door uitademing.

Resultaten

Experiment 1 (3,4 sec stimulatie, Oorklep):

• De resultaten waren inconclusief. Hoewel er een statistisch significant frequentistisch effect was ($p = .029$), leverde de Bayesiaanse analyse slechts "anecdotisch bewijs" op ($BF_{10} = 1,46$) voor een grotere pupilverwijding bij taVNS dan bij sham.
• Dit suggereert dat de langere stimulatie (3,4 sec) in combinatie met geïntermixte proeven mogelijk leidt tot carry-over effecten of desensitisatie die het signaal verzwakt.

Experiment 2 (1,0 sec stimulatie):

• Oorklep-groep: Sterk bewijs voor een effect van taVNS op pupilverwijding ($BF_{10} = 14,86$). De pupilverwijding was significant groter bij taVNS dan bij sham.
• Scapha-groep: Geen effect van taVNS. Er was matig bewijs voor de nulhypothese ($BF_{01} = 3,77$); taVNS en sham leidden tot vergelijkbare pupilreacties.
• Respiratoire Fase: Er was geen interactie waarbij taVNS specifiek een grotere pupilverwijding veroorzaakte tijdens uitademing (wat verwacht was als de vagus-NTS-LC pathway de drijvende kracht was). In plaats daarvan toonden zowel taVNS als sham een grotere reactie tijdens de inademing, wat waarschijnlijk een confound is van de algemene relatie tussen respiratoire cyclus en basale pupilgrootte (replicatie van Schaefer et al., 2025).

Significantie en Conclusie

De studie heeft twee fundamentele conclusies voor het veld van de cognitieve neurowetenschap en taVNS-onderzoek:

1. Haalbaarheid voor snelle taken: Gepulste taVNS (1 seconde) kan succesvol worden geïntegreerd in snelle, gebeurtenis-gerelateerde experimentele designs door het willekeurig te mixen met sham-proeven, mits de oorklep als controlocatie wordt gebruikt.
2. Twijfel over het mechanisme: De bevindingen ondermijnen de veelgeaccepteerde aanname dat pupilverwijding door taVNS specifiek wordt gemedieerd door de vagale afferente pathway naar de LC.
   • Het ontbreken van een effect bij gebruik van de scapha als sham (die sympathisch vergelijkbaar is maar niet vagaal) suggereert dat het effect mogelijk niet specifiek voor de vagusnerv is.
   • Het ontbreken van een versterkt effect tijdens uitademing (waar de NTS-activiteit normaal gesproken hoger zou moeten zijn) ondersteunt de hypothese van een vagale pathway niet.

De auteurs concluderen dat de waargenomen pupilverwijding mogelijk het gevolg is van algemene sensorische stimulatie of andere niet-vagale pathways, en niet per se van de activatie van het LC-NE systeem via de vagusnerv. Toekomstig onderzoek zou invasieve metingen moeten combineren met pupillometrie om de onderliggende neurale pathways definitief te verifiëren.