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Methodenartikel

Online-repetitive transkranielle magnetische Stimulation des dorsomedialen und dorsolateralen präfrontalen Cortex in der kognitiven Entscheidungsfindung sowie kognitive Dissonanz

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DOI:

10.3791/67500

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5. Dezember 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Cognitive Neuroscience, National Research University Higher School of Economics

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll bietet eine präzisere und effektivere Methode zur wiederholten transkraniellen Magnetstimulation der dorsolateralen und dorsomedialen präfrontalen Kortex während einer experimentellen Aufgabe unter Verwendung von Neuronavigation und robotischen Systemen. Basierend auf den Ergebnissen werden entscheidende Implikationen für zukünftige Online-Stimulationsforschung vorgeschlagen.

Zusammenfassung

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine leistungsstarke Methode, um kausale Verbindungen zwischen bestimmten Hirnregionen und kognitiven Funktionen aufzudecken. Während Offline-TMS traditionell die kognitive Neurowissenschaft dominierte, bietet Online-Repetitive TMS (rTMS) unbestrittene Vorteile, da sie eine Stimulation gleichzeitig mit der Aufgabenleistung ermöglichen. Basierend auf Fortschritten in dieser Stimulationsmethode führt die Studie ein neuartiges Online-rTMS-Protokoll ein, das Neuronavigation und robotische Systeme nutzt, um während eines experimentellen Verfahrens die dorsolaterale und dorsomediale präfrontalen Kortex präzise zu steuern. Darüber hinaus wurde der Nutzen von online rTMS bei der Untersuchung der neuronalen Mechanismen hinter kognitiver Dissonanz und Neurochronometrie der wahlinduzierten Präferenzänderung untersucht. Zu diesem Zweck wurde während des Eingriffs ein Protokoll für das hochfrequente Online-rTMS mit einem Inside-Subject-Blockdesign und zwei Kontrollbedingungen angewendet. Die Studie führt zu wesentlichen Schlussfolgerungen für zukünftige TMS-Forschungen, wie der Bedeutung eines geeigneten Zeit-, Orts- und Parameterssatzes der Stimulation, der Modulation des elektrischen Feldes und geeigneter Kontrollbedingungen.

Einleitung

Im Vergleich zu modernen Methoden der Gehirnstimulation und Neuroimaging-Techniken ist die transkranielle Magnetstimulation (TMS) die geeignetste Methode, um eine kausale Beziehung zwischen einem Interessensgebiet und einer kognitiven Funktion nachzuweisen, im Vergleich zu Neurobildgebungstechniken wie Elektroenzephalographie (EEG), Magnetenzephalographie oder funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT)1,2,3,4 . Die Stimulation ermöglicht es Forschern nicht nur, die Beteiligung von Gehirnregionen an bestimmten Aufgaben zu beobachten, sondern sie auch zu beeinflussen. Darüber hinaus ist diese Art von Technik ausreichend für eine präzise Stimulation des Gehirns, was eine bessere Kontrolle der experimentellen Bedingungen ermöglicht. Die meisten früheren Studien verwendeten Offline-TMS, das Gehirn für eine bestimmte Zeit vor einer Aufgabe stimulierte, um langfristige Effekte der Stimulation zu erzielen. Der aktuelle technologische Entwicklungsstand ermöglicht es jedoch, nicht nur Offline-TMS, sondern auch Online-Repetitive TMS (rTMS) anzuwenden, die Stimulation genau in dem Moment bereitstellen, in dem ein Teilnehmer eine Aufgabe ausführt. Online-TMS bietet im Vergleich zu den Offline-TMS-Effekten kurzanhaltende Stimulationseffekte (d. h. den 15-minütigen Stimulationseffekt nach 15 Minuten 1 Hz Offline-rTMS 5,6 im Vergleich zu nur wenigen hundert Millisekunden bis wenigen Sekunden bei Online-rTMS 6,7,8). Daher kann die Online-TMS-Technik im Gegensatz zum Offline-TMS aufgrund ihrer zeitlichen Auflösung als Neurochronometrie-Werkzeug verwendet werden. Es bietet die Möglichkeit, wichtige Informationen über die regionalen Dynamiken verschiedener kognitiver Prozesse zu erhalten und den genauen Moment eines kognitiven Prozesses zu untersuchen, der eine Gruppe von Impulsen um den Reizbeginn verschiebt. Online-rTMS macht es unvermeidlich, einen Übergang von der Offline- zur Online-Stimulationsforschung zu fordern.

Zwei Hirnregionen standen im Mittelpunkt dieser Studie: das dlPFC [MNI: -24, 5, 47]9 und dmPFC [MNI: 2, 48, 36]10. Das dmPFC ist ein Gehirnkorrelat der kognitiven Dissonanz, gut untersucht sowohl mit Neuroimaging als auch mit Stimulation 10,11,12,13,14,15. Die ersten Erkenntnisse zu den neuronalen Mechanismen der kognitiven Dissonanz wurden in der fMRT-Forschung gemacht, die die Anregung des dmPFC in verschiedenen Paradigmen unter Verwendung des kognitiven Inkonsistenzeffekts 11,16,17 aufzeigte. Der kausale Zusammenhang zwischen interner Konfliktlösung und dem dmPFC wurde jedoch erst festgestellt, als die TMS- und tDCS-Studien im kognitiven Dissonanzfeld 10,13 durchgeführt wurden. Unter Berücksichtigung der Funktionen des dlPFC haben frühere Neuroimaging- und Stimulationsstudien eine Verbindung zur linken frontalen Aktivierung mit der post-decisionalen Präferenzänderung gezeigt, was auch auf die wichtige Rolle des dlPFC bei der Reduktion kognitiver Dissonanzhinweist. 9,11,16,18,19,20,21,22 . Ein wesentlicher Teil der Forschung geht davon aus, dass der linke dlPFC an der Konfliktlösung der post-entscheidungsbezogenen Präferenzänderung 11,16,18,19 beteiligt ist.

Zur Stimulation von dLPFC und dmPFC wird eine präzisere und effektivere Methode der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation unter Verwendung von Neuronavigation und robotischen TMS-Systemen vorgeschlagen, um das dlPFC und dmPFC während der experimentellen Aufgabe gezielt anzusprechen. Das MRT-unterstützte Navigationssystem sorgt für eine genaue Stimulation des Zielhirnbereichs. Sie ermöglicht es dem TMS-Roboter, die Position seines Roboterarms entsprechend den Mikrobewegungen des Kopfes des Teilnehmers während des Experiments anzupassen. Der Hauptvorteil ist die Maximierung des rTMS-Effekts durch eine präzisere Stimulation zu einem bestimmten Zeitpunkt während des experimentellen Verfahrens, wobei Anfang und Ende kontrolliert werden und auf den Beginn und Offset des Reizes angewiesen werden. Diese Methode kann helfen, Gehirnbereiche zu stimulieren, wodurch die Unterstützung des Experimentators während des Experiments verringert und somit der Einfluss der Anwesenheit des Experimentatoren auf die Leistung des Teilnehmers während der experimentellen Aufgabe minimiert wird. Das Protokoll kann auch auf andere Gehirnbereiche und experimentelle Aufgaben angewendet werden. Nicht zuletzt wurde rTMS mit dem Online-Stimulationsprotokoll kombiniert, das es ermöglichte, eine Forschungshypothese der kognitiven Dissonanz-Neurochronometrie und Funktionen der zugehörigen Hirnregionen wie dlPFC und dmPFC zu testen. Einer der wichtigen Aspekte der kognitiven Dissonanzforschung ist die Verbreitung von Alternativen23. Sie wird durch wahlbedingte Präferenzänderung verursacht, die auftritt, wenn Individuen eine schwere Wahl zwischen fast gleich bevorzugten Optionen treffen müssen. Eine so schwere Entscheidung führt zu einer Inkonsistenz der Einstellungen der Person und löst kognitive Dissonanz aus. Um kognitive Dissonanzen zu verringern, müssen die Präferenzen geändert werden, wodurch die Präferenz für die gewählte Option steigt und die Präferenz für die abgelehnte Option oder die sogenannte Ausbreitung der Alternativen sinkt. Die wichtige Frage betrifft den genauen Zeitpunkt der Präferenzänderung, ob sie während des Entscheidungsprozesses selbst stattfindet oder als Folge der getroffenen Entscheidung entsteht. Die Untersuchung dieses Anliegens wird durch die Entwicklung von Technologien wie TMS zunehmend möglich, die nicht nur die Entscheidungsprozesse wie fMRT oder EEG beobachten, sondern auch direkt die kortikale Aktivität der Zielbereiche beeinflusst. Weitere Untersuchungen der kognitiven Dissonanz-Neurochronometrie helfen zu verstehen, wann die wahlinduzierte Präferenzänderung tatsächlich auftritt. Im Einklang mit diesem Ziel würde eine TMS-Studie zu den Rollen von dlPFC und dmPFC bei der Ausbreitung von Alternativen nach der schweren Wahl einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der neuronalen Mechanismen kognitiver Dissonanz leisten und den Zeitpunkt der Wahl klären. Durch Online-Stimulation anstelle von Offline-Stimulation kann der tatsächliche Zeitpunkt der Ausbreitung von Alternativen im dmFPC- und dlPFC-Netzwerk unterschieden werden.

Das weiter beschriebene Protokoll des rTMS zur Hemmung der dlPFC- und dmPFC-Aktivierung muss mit einem MRT-geführten Neuronavigationssystem, einem Magnetstimulator und einem Roboterarm angewendet werden. Die Neuronavigations- und TMS-Systeme wurden eingesetzt. Das MRT-unterstützte Navigationssystem sorgt für eine präzise Stimulation des Zielhirnbereichs und ermöglicht es dem Roboterarm, seine Position entsprechend den Mikrobewegungen des Kopfes des Teilnehmers während des Experiments anzupassen. Zu diesem Zweck muss für alle Probanden der Studie ein neuroanatomisches MRT bereitgestellt werden. Das Navigationssystem benötigt eine spezielle Ausrüstung, wie zum Beispiel den Referenztracker für die Kopflokalisierung des Teilnehmers, die Kalibrierungsplatte zum Verfolgen einer Spule, den Zeiger zum Setzen einer Gruppe von Referenzmarkierungen und die Infrarotkamera zur Verfolgung von Objekten im Weltraum. Die gesamte Ausrüstung, außer der Kamera, verfügt über silberne reflektierende Referenzkugeln, die vom Navigationssystem identifiziert werden und die Kamera nutzt, um während des Verfahrens und des Experiments die Koordinaten des Kopfes des Teilnehmers sowie der TMS-Ausrüstung zu lokalisieren. Die Abdeckung der Referenzkugeln ist ziemlich empfindlich und sollte nicht berührt werden, um Schäden zu verhindern. Mehrere Verfahren müssen durchgeführt werden, um effektiv mit dem MRT-unterstützten Navigationssystem zu funktionieren: Kalibrierung von Spule und Roboterarm, individuelle MRT-Vorbereitung und Patientenregistrierung.

Es wurde vermutet, dass es keine signifikante Präferenzänderung für die dlPFC- und dmPFC-Stimulationsblöcke im Vergleich zu den Kontroll-Vertex- und Scheinstimulationsblöcken geben würde, da die Hemmung der linken dlPFC- oder dmPFC-Aktivierung die kognitive Dissonanzreduktion und die folgende Präferenzänderung verhindern sollte.

Trotz der jüngsten Fortschritte bei Online-Interventionen mit rTMS, die die Möglichkeit eröffneten, die zeitlichen Dynamiken der Gehirnaktivität kausal mit kognitiven Prozessenzu untersuchen, steht das Fachgebiet weiterhin vor Herausforderungen bei der Anwendung präziser und reproduzierbarer Stimulation, insbesondere bei komplexen kognitiven Aufgaben. Diese Studie führt eine neuartige Anwendung von Neuronavigation und robotischen Systemen in einem Online-rTMS-Protokoll ein, um diese Herausforderungen zu adressieren. Durch die Integration struktureller Gehirndaten (und die Förderung der weiteren Nutzung funktioneller Gehirndaten) und präziser robotischer Positionierung verbessert diese Methode die Genauigkeit und Konsistenz der rTMS-Übertragung an dlPFC und dmPFC erheblich, Regionen, die als entscheidend für kognitive Dissonanz und Entscheidungsfindungbekannt sind 27,28. Frühere Forschungen nutzten überwiegend Offline-TMS10, 29, 30, was das Verständnis unmittelbarer neuronaler Reaktionen während kognitiver Aufgaben einschränkte. Darüber hinaus haben frühere Studien zwar die Beteiligung von dmPFC und dlPFC an kognitiver Dissonanz sowohl durch Bildgebung als auch durch Offline-Stimulation 9,10,13 bestätigt, aber der genaue Zeitpunkt und die Rolle dieser Aktivierungen während der kognitiven Dissonanz sind weiterhin schlecht verstanden. Hier wird online rTMS genutzt, um diese Lücke zu schließen, indem die Neurochronometrie der wahlinduzierten Präferenzänderung untersucht wird und Einblicke in die genauen Momente liefert, in denen kognitive Dissonanz auftritt und aufgelöst wird. Diese Studie zeichnet sich durch die Verwendung eines Inside-Subjekt-Blockdesigns aus, das die Effekte von dlPFC- und dmPFC-Stimulation und -stimulation innerhalb von zwei Kontrollbedingungen testet, um die Validität der Ergebnisse innerhalb derselben Stichprobe und gleichzeitig zu stärken, was selten durchgeführt wird (entweder werden Zwischenprobandprotokolle verwendet oder zwei Sitzungen mit denselben Probanden eingesetzt; beides erhöht die Variabilität der Befunde). Zusammenfassend bietet die Forschung eine methodische Innovation, die die Präzision und Anwendbarkeit von rTMS in der kognitiven Neurowissenschaft verbessert. Durch direkte Beeinflussung der Hirnregionen während der Aufgabenausführung und die Beobachtung unmittelbarer Ergebnisse innerhalb derselben Stichprobe adressiert diese Studie nicht nur bedeutende Literaturlücken, sondern ebnet auch die Grundlage für zukünftige Forschungen zu den neuronalen Basispunkten komplexer kognitiver Prozesse.

Experimentelle Aufgabe:

Anregungen:

Die Reize wurden sorgfältig anhand der Empfehlungen vorbereitet, die im ursprünglichen Artikel von Izuma und Kollegen10 genannt wurden. Die experimentellen Reize bestehen aus 96 abstrakten Bildern (Abbildung 1), die nach folgenden Kriterien gepaart sind: 1) Alle Bilder sollten ähnlich sein, damit die in der Choice-Aufgabe verwendete Schaltermanipulation von den Teilnehmern unentdeckt bleibt; 2) Alle Bilder sollten relativ unterschiedlich sein, um eine bewusste Wahl zwischen den Bildern zu ermöglichen und eine zufällige Auswahl aufgrund fehlender auffälliger Unterschiede zwischen den Bildern zu vermeiden10 Außerdem wurden die in der ursprünglichen Studie verwendeten Reize 10 mit den Kriterien für die Auswahl von Reizen und deren Abgleich in Paare übereinstimmt10, die in der ursprünglichen Studie präsentierten und von den Autoren geteilten Reize überprüft. Die Reize für das Papier wurden aus den gemeinfreien kostenlosen Stockfotos mit Schlüsselwörtern aus den Kriterien ausgewählt. Laut den Autoren wurden die Bilder anhand persönlicher Eindrücke abgeglichen. Dasselbe Prinzip wurde angewandt, und während der Nachbesprechung wurden die Teilnehmer gefragt, ob sie Bilder paarweise als ähnlich und unterscheidbar empfanden. Eine vorläufige Validierung der Reize wurde nicht durchgeführt, da von den Teilnehmern nicht erwartet wurde, sie auf eine bestimmte Weise zu bewerten, wie es z. B. bei den affektiven Reizen der Fall ist. Zukünftige Forscher müssen jedoch tiefer in die Möglichkeiten eintauchen, die Reize in denselben oder ähnlichen Paradigmen zu validieren.

Einer der Gründe, warum ähnliche abstrakte Bilder als experimentelle Reize statt als sinnvolle originelle Einstellungen gewählt wurden, ist, dass die ursprüngliche Haltung besonders stark und zentral ist. Es erfordert eine große Relevanz und vorherige Verpflichtung, daher ist eine Einstellungsänderung unwahrscheinlich. Nach diesem wichtigen Einstellungsmerkmal wird es schwierig sein, starke Einstellungen im Labor zu ändern. Außerdem haben Experimente ohne solche starken Einstellungen eine höhere Wahrscheinlichkeit, eine kognitive Dissonanz zu erzeugen.

Verhaltensverfahren:

Diese Studie zum In-Subject-Design basiert auf einem übernommenen Verfahren von Izuma und Kollegen in Studie10, die ein modifiziertes Freiwahlparadigma mit einem "Choice-Blindness"-Verfahren31,32 anwendeten, bei dem Individuen tendenziell glauben, sie hätten das Produkt gewählt, das ihnen tatsächlich weniger gefällt als die Alternative.

Während des Experiments führten die Teilnehmer vier folgende Aufgaben in einer festen Reihenfolge aus: (1) die erste Bewertungsaufgabe, (2) die Wahlaufgabe, (3) die zweite Bewertungsaufgabe und (4) die Speicheraufgabe (Abbildung 2). Für die Aufgabe der ersten Bewertung mussten die Teilnehmer bewerten, wie sehr ihnen jedes der 96 Bilder gefiel, mit einer 8-Punkte-Likert-Skala ohne Zeitbeschränkung33. Anschließend erhalten sie während der Choice-Aufgabe 48 Bildpaare, müssen eines der Bilder in jedem Paar auswählen, indem sie auf ein entsprechendes Rechteck neben dem Bild klicken, führen die Flanker-Aufgabe34 aus und bestätigen dann ihre Wahl, indem sie auf das Bild klicken. Die Flanker-Aufgabe besteht aus einer Folge von 7 Pfeilen, die zufällig nach links oder rechts gerichtet sind, um die realen zufälligen Richtungen für alle Pfeile zu liefern. Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Richtung des zentralen Pfeils zu definieren und so schnell wie möglich die entsprechende Tastentaste zu drücken. Die Flanker-Aufgabe zielt darauf ab, die Aufmerksamkeit des Teilnehmers abzulenken, indem sie in der ersten Phase auf ein Rechteck statt auf ein Bild klickt.

Die Choice-Aufgabe hat drei experimentelle Bedingungen (Abbildung 2): Schaltversuche (16 Paare), Wechselversuche ohne Wechsel (16 Paare) und Computerversuche (16 Paare). Alle 48 Paare waren unter den Teilnehmern festgelegt, aber das programmierte Skript entschied, welcher Bedingung jedem Paar zugewiesen wurde, basierend auf den unterschiedlichen Bewertungen der Bilder innerhalb jedes Paares.

Wenn Teilnehmer während der Wechselprüfungen ein Bild wählen, wechseln die Bilder nach der Flanker-Aufgabe die Position, sodass das obere Bild unten und das untere Bild dort erscheint, wo das obere Bild war. Die Schaltversuche lassen die Kontrolle des Präferenzartefakts35 zu. Es wurde angenommen, dass die Teilnehmer diesen Ersatz nicht bemerkten, da die abstrakten Bilder ähnlich sind. Die Flanker-Aufgabe zielt außerdem darauf ab, die Aufmerksamkeit davon abzulenken, Bilder zu ersetzen. Zusätzlich haben die Teilnehmer nur 3 Sekunden Zeit, um eine Entscheidung zu treffen, bevor die Bilder verschwinden, obwohl Antworten auf Basis des Gedächtnisses danach weiterhin möglich bleiben. Diese Bedingung gilt nicht für No-Switch-Studien, bei denen die Teilnehmer ihre eigene Wahl bestätigen müssen. Während Computertests wird die Wahl vom Computer präsentiert, und die Teilnehmer müssen ihr einfach folgen. Das vom Computer gewählte Bild basiert auf der Wahl eines Teilnehmers in einer vorherigen Switch-Studie, d. h. wenn ein Teilnehmer ein Bild mit niedrigerer Bewertung in der Switch-Studie wählt, "wählt" der Computer auch ein Bild mit niedrigerer Bewertung. Wenn der Teilnehmer jedoch in einer Switch-Studie ein Bild mit höherer Bewertung wählt, "wählt" der Computer das am höchsten bewertete Bild. Die Computer-Choice-Bedingung wurde als Kontrollbedingung verwendet, wobei erwartet wurde, dass der Präferenzänderungseffekt nicht vorhanden sein würde, da die Teilnehmer die Choice-Agency10 nicht erleben würden.

Die Paare wurden in einer bestimmten Reihenfolge präsentiert: No-Switch-Condition-Paare werden immer im 1., 2., 5., 8., 11., 16., 17., 20., 22., 28., 31., 33., 39., 42., 43. und 47. Versuch präsentiert, Switch-Condition-Paare werden immer im 3., 6., 9., 12., 14., 18., 21., 24., 29., 32., 35., 37., 40., 44. und 46. Prüfungen, während Computer-Condition-Paare immer in den 4., 7., 10., 13., 15., 19., 23., 25., 30., 34., 36., 38., 41., 45. und 48. Versuchen stattfinden, die kurz nach den Switch-Tests stattfinden. Der Grund für die Verwendung einer solchen Sequenz ist, dass die Wahl eines Computers automatisch die vorherige Wahl des Teilnehmers nachahmt.

Während der Aufgabe Zweite Bewertung müssen die Teilnehmer dieselben 96 Bilder erneut bewerten, jedoch mit Hinweisen auf ihre vorherige Wahl während der Wahlaufgabe. Jedes Bild wird von einer Erinnerung begleitet, ob der Teilnehmer oder der Computer dieses Bild ausgewählt hat oder nicht ("Sie haben dieses Bild gewählt" oder "Вы выбрали эту картинку" auf Russisch / "Sie haben dieses Bild nicht gewählt" oder "Вы не выбрали эту картинку" auf Russisch / "Computer dieses Bild ausgewählt" oder "Компьютер выбрал эту картинку" auf Russisch / "Computer hat dieses Bild nicht ausgewählt" oder "Компьютер не выбрал эту картинку" auf Russisch).

Um während der Second Rating-Aufgabe verschiedene Gehirnregionen zu stimulieren, wurde beschlossen, sie in 4 Blöcke zu unterteilen: den linken dlPFC, den dmPFC, den Vertex und die Sham-dlPFC-Stimulation. Die dlPFC und dmPFC wurden als die für die Studie interessantesten Hirnregionen ausgewählt, und die Sham-dlPFC-Stimulation und der Vertex wurden als Kontrollbedingungen36 ausgewählt. Der Stimulationszielbereich des linken dlPFC wurde anhand der fMRT-Befunde9 von Voigt und Kollegen mit folgenden Koordinaten [MNI: −24, 5, 47] definiert, da sie die relative linke dlPFC-Aktivierung für eine sehr ähnliche Aufgabe und ein ähnliches Paradigma gefunden haben. Die Koordinaten für das dmPFC wurden auf Grundlage der Studie10 von Izuma und Kollegen definiert [MNI: 2, 48, 36].

Für alle Stimulationsblöcke wurde das Online-20-Hz-rTMS 1000 ms ab dem Stimulusbeginn angewendet. Jeder Stimulationsblock enthält 12 Paare von Reizen und hat etwa 2 Minuten Blockintervalle, um die Position der Stimulationsspirale zu ändern und eine sichere Phase gemäß den Sicherheitsrichtlinien37,38 bereitzustellen. Außerdem, wenn die Aufgabe der ersten Bewertung keine Zeitbegrenzung hatte, hatte die Aufgabe der zweiten Bewertung einige Zeitbegrenzungen, und jede Prüfung dauerte zwischen 11 und 13 Sekunden. Zunächst wurde ein Reiz nur für 1 Sekunde präsentiert, wobei während der gesamten zweiten Sekunde gleichzeitig rTMS angewendet wurde, um alle vorgeschlagenen Startpunkte der dlPFC- und dmPFC-Aktivierung abzudecken. Die Teilnehmer hatten 4 S, um das Bild mit derselben 8-Punkte-Likert-Skala33 zu bewerten (ab dem Beginn des Reizes plus 3 Sekunden danach). Anschließend wurde das Fixationskreuz 7 bis 9 Sekunden zitternd präsentiert, um zu verhindern, dass die Teilnehmer sich an den Beginn des Reizes gewöhnen und um ein sicheres Intervall zwischen den Studien zu gewährleisten:37,38. Nach Abschluss jedes der Stimulationsblöcke beantworteten die Teilnehmer einen Fragebogen darüber, wie angenehm die Stimulation während dieses Blocks war.

Nach Abschluss der Aufgabe Second Rating erfüllen die Teilnehmer auch die unerwartete Speicheraufgabe und versuchen aus dem Gedächtnis herauszufinden, ob sie während der Choice-Aufgabe dieselben Bilder gewählt oder abgelehnt haben (Computertests sind nicht enthalten, da sie die Wahl der Teilnehmer nicht widerspiegeln). Sie füllen außerdem den PANAS-Fragebogen39, die Preference for Consistency Scale40 und ein kurzes postexperimentelles Interview aus, um sicherzustellen, dass die Teilnehmer während der Wechselstudien der Choice-Aufgabe die Manipulation ihrer Wahl nicht bemerken.

Die in dieser Studie verwendete Aufgabe ist speziell darauf ausgelegt, kognitive Dissonanz hervorzurufen, indem die Teilnehmer zwischen ähnlich bevorzugten Optionen wählen müssen – ein Szenario, das Inkonsistenzen in Präferenzen und Einstellungen auslöst – ein Markenzeichen der kognitiven Dissonanz10. Die Aufgabe beinhaltet die Wahl und die zweite Bewertungsaufgabe, die es ermöglicht, zwischen Hypothesen des Timings der kognitiven Dissonanz zu entwirren: ob sie bereits während der Wahl oder beim erneuten Auftreten derselben Alternativen geschieht. Diese Aufgabe aktiviert die dorsolaterale und dorsomediale präfrontale Kortex, Regionen, die an Entscheidungsfindung und Dissonanzauflösung beteiligt sind. Durch den Einsatz von online rTMS wird diese Studie nicht nur diese Bereiche herunterreguliert, wodurch der Effekt auf alle Aufgaben anhält, sondern auch gezielt die neuronale Aktivität im Zusammenhang mit der Options-Neubewertung (zweite Bewertungsaufgabe) angesprochen. Dieses Protokoll ist zusammen mit dem gewählten Aufgabenparadigma die effizienteste Kombination, die weitere Studien ermöglicht, um die Auswirkungen der Stimulation während der Wahl zwischen Optionen und der zweiten Bewertungs-Aufgabe zu vergleichen und so die zeitliche Dynamik des Präferenzänderungsmechanismus zu bestimmen. Die Spezifität dieses experimentellen Konzepts, gepaart mit der zeitlichen Präzision des Online-rTMS, bietet eine einzigartige und wirkungsvolle Methodik, um die neuronalen Grundlagen und zeitlichen Eigenschaften kognitiver Dissonanz in Entscheidungsfindung zu analysieren.

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Protokoll

Alle Verfahren wurden vom lokalen Forschungsethikkomitee der Höheren Wirtschaftshochschule (HSE) Moskau mit Zustimmung aller Teilnehmer genehmigt.

1. Teilnehmerwerbung

HINWEIS: Teilnehmer müssen keine Vorgeschichte implantierter metallischer Geräte, neurologischer Erkrankungen oder psychiatrischer Erkrankungen melden. TMS wird gemäß den aktuellsten Sicherheitsempfehlungen verabreicht. Vor der Teilnahme müssen alle Personen umfassend über die Art der Studie informiert sein und eine schriftliche informierte Einwilligung abgeben. Ein kompletter Satz von Geräten, die benötigt wurden, um das Online-Repetitive TMS-Protokoll mit Neuronavigation und robotischen Systemen zur präzisen Zielerfassung der dorsolateralen und dorsomedialen präfrontalen Kortex während eines experimentellen Verfahrens zu betreiben, wurde gezeigt (Materialtabelle).

  1. Im vorläufigen Fragebogen und in der informierten Einwilligung wird überprüft, dass die Teilnehmer Rechtshänder sind, keine Metall-, Neuro- oder Kardiostimulatoren im Kopf oder Körper haben, keine Hörprobleme und Migräne haben, nie Kopfverletzungen hatten, nicht schwanger sind, keine psychotropen oder Antihistaminika einnehmen, nie eine Gehirn- oder Rückenmarksoperation hatten und ihre Angehörigen keine Epilepsie diagnostiziert haben.
  2. Wenn die Teilnehmer angeben, dass sie jemals ohnmächtig geworden sind, prüfen Sie, ob diese Fälle ausschließlich mit physiologischen Gründen zusammenhängen. Außerdem sollten die Teilnehmer einen Tag vor dem Experiment darauf hinweisen, keinen Alkohol oder Drogen zu nehmen und vier Stunden vor Beginn des Experiments keinen Kaffee oder andere Produkte oder Getränke mit Koffein zu trinken.

2. Kalibrierung von Spulen und Roboterarm

HINWEIS: Die Spulenkalibrierung erfolgt mit der Kalibrierungsplatte, während der Roboterarm keine zusätzliche Ausrüstung benötigt. Alle haben silberne Referenzkugeln, die es der Kamera ermöglichen, Objekte im Weltraum zu erkennen.

  1. Richten Sie die Kalibrierungsplatte mit der Spule aus, stellen Sie die Waage sowohl auf der Kalibrierungsplatte als auch auf der Spule und kalibrieren Sie mit der Software.
  2. Kalibrieren Sie den Kraftsensor des Roboterarms mit der zugehörigen Software. Drücken Sie die Oberfläche des Roboterarms mit unterschiedlichen Kraftstärken, um einen starken Druck auf den Kopf des Teilnehmers zu vermeiden, aber während der Stimulation eine enge Sitzung am Kopf sicherzustellen.

3. Vorbereitung der individuellen MRT-Scans

HINWEIS: Ein wesentlicher Teil der Vorbereitung des Navigationssystems besteht darin, das System für individuelle MRT-Scans für das Patientenregistrierungsverfahren vorzubereiten. Das kann schon geschehen, bevor ein Teilnehmer kommt. Das Hauptziel ist es, die einzelnen Gehirnkoordinaten mit den Koordinaten universeller Koordinatensysteme wie MNI und Talairach abzugleichen.

  1. Erstellen Sie zunächst ein 3D-Modell des Kopfes des Teilnehmers mit Software, die mit dem TMS-System verbunden ist.
  2. Führen Sie das Talairach-Registrierungs- und Ausrichtungsverfahren durch.
    1. Richten Sie das Gehirn jedes Probanden auf ein standardisiertes Gehirnkoordinatensystem aus, das auf anatomischen Orientierungspunkten aus dem Talairach-Atlas basiert. Manuell werden drei Benchmarks identifiziert und eingestellt, nämlich die vordere Kommissur, die hintere Kommissur und die Falx Cerebri, basierend auf dem Talairach-Atlas.
    2. Identifizieren Sie die anteriore Kommissur als eine kleine kreisförmige oder ovale Struktur, die sich vor dem dritten Ventrikel und unterhalb des Rostrums des Corpus callosum auf mittler-sagittalen MRT-Schnitten befindet und als hyperintensiven Punkt vor dem dritten Ventrikel auf axialen Schnitten.
    3. Identifizieren Sie die hintere Kommissur auf mittler-sagittalen MRT-Schnitten als eine horizontal orientierte Struktur, die sich direkt oberhalb des Hirnaquädukts und hinter dem dritten Ventrikel befindet. Für die Falx cerebri wählen Sie den MRT-Schnitt aus, der die maximale bilaterale Symmetrie tiefer Gehirnstrukturen aufweist, und markieren Sie ihn auf der interhemisphärischen Fissur.
  3. Passen Sie das Talairach-Raumgitter an die Größe des 3D-Modells des Kopfes an. Der Talairach-Raum wird mit standardisierten Koordinaten erzeugt, die nicht von individuellen Gehirnunterschieden abhängen.
  4. Stellen Sie die Ziele der zukünftigen Stimulation und den erforderlichen Rotationswinkel entsprechend den vordefinierten MNI-Koordinaten der Studie fest.
  5. Berechnen Sie die Einträge für die Ziele als entsprechende Positionen auf der Oberfläche des Kopfes des Teilnehmers, um den Roboterarm während der Stimulation zu positionieren.
    HINWEIS: In diesem Experiment wurden die Einträge für den Knotenkontrollpunkt manuell definiert. Zur Markierung des Knotenziels markieren Sie den Punkt am Schnittpunkt der mittleren sagittalen und koronalen Ebene, die durch die Nasions-Inion- bzw. Interaurale Linie führen; oder die Knotenkoordinaten im normalisierten MNI- oder Talairach-Raum aus früherer Literatur nehmen und den normalisierten Punkt in den einzelnen MRT-Raum abbilden. Die Software berechnet automatisch die Position im individuellen MRT-Raum mittels affiner Transformationsmatrizen.
  6. Für eine genauere Verfolgung der Kopfposition des Teilnehmers setzen Sie MRT-Orientierungspunkte am 3D-Modell des Kopfes des Teilnehmers. Für diese Studie wurden Orientierungspunkte am linken und rechten Ohr sowie an der Nasion verwendet, aber alle anderen Orientierungspunkte können aus Bequemlichkeit verwendet werden.

4. Patientenregistrierung

HINWEIS: Das Patientenregistrierungsverfahren erfolgt mit Ankunft des Teilnehmers.

  1. Stellen Sie die Einwilligungsformulare, erforderliche Informationen zum Experiment und Ohrstöpsel zum Schutz des Gehörs des Teilnehmers bereit.
  2. Setzen Sie den Referenztracker auf den Kopf des Teilnehmers. Stellen Sie sicher, dass sie am Kopf des Teilnehmers an einer Stelle befestigt ist, an der der Roboterarm während der Stimulation gelegentlich den Tracker berührt.
    HINWEIS: Der Tracker besteht aus drei silbernen reflektierenden Referenzkugeln, die vom Navigationssystem identifiziert werden, um die Koordinaten des Kopfes des Teilnehmers während des Verfahrens und des Experiments zu lokalisieren. Konventionell wird der Tracker auf der Stirn angebracht. Um jedoch sicherzustellen, dass die Eintrittsziele des dlPFC und dmPFC für das Navigationssystem verfügbar sind und vom Roboterarm erreicht werden können, wurde der Tracker zwischen Stirn und rechtem Ohr platziert (er kann je nach führender Referenzplatte des Roboterarms ebenfalls nahe am linken Ohr platziert werden).
  3. Befestigen Sie den Referenztracker am Kopf des Teilnehmers mit dem elastischen Gürtel fest genug, achten Sie aber darauf, dass er bequem für den Teilnehmer ist.
    HINWEIS: Die Gürtelfixierung ist je nach Kopfgröße des Teilnehmers flexibel. Der Gürtel wurde bis zur Stirn verlegt, nach unten gebogen und fixiert, um mit dem Roboterarm einen besseren Zugang zum dmPFC-Bereich zu ermöglichen. Die Mitte des Gürtelrandes wurde ebenfalls eingeklemmt, um die Muskelkontraktionen während der Stimulation zu minimieren. Die starken Muskelkontraktionen können verhindern, dass die Teilnehmer den Bildschirm mit Reizen sehen, und können auch unangenehme Empfindungen verursachen.
  4. Wenn der Referenztracker auf dem Kopf des Teilnehmers angebracht wird, stellen Sie die realen Orientierungspunkte (in diesem Fall Ohren und Nasion) entsprechend den zuvor gefundenen MRT-Orientierungspunkten mit dem Zeiger mit einer Reihe von Referenzkugeln ein. Stellen Sie sicher, dass der Wert der Root Mean Square (RMS) Abweichung nicht höher als 5 mm ist. Wenn der Wert höher ist, setzen Sie die realen Orientierungspunkte erneut und berechnen Sie den RMS-Abweichungswert neu.
  5. Ergänzen Sie diese Orientierungspunkte mit einer Reihe zusätzlicher Orientierungspunkte durch denselben Zeiger, um die Kopffläche des Teilnehmers zu definieren. Fügen Sie diese Punkte hinzu, indem Sie durchgehende horizontale und vertikale Linien erzeugen, die gleichmäßig entlang der Kopffläche verteilt sind. Mindestens 300 zusätzliche Oberflächenmarkierungen sind erforderlich.
    HINWEIS: Nach der Oberflächenregistrierung sollte der RMS-Abweichungswert weniger als 2 mm betragen, um eine gute Registrierungsqualität zu gewährleisten. Beim Hinzufügen zusätzlicher Punkte sollten Sie sicherstellen, dass diese auf der Kopffläche ausreichend dargestellt werden.
  6. Nachdem die Registrierung abgeschlossen ist, überprüfen Sie, ob die Software die Position des Zeigers auf dem 3D-Modell korrekt registriert, indem sie ihn auf der Kopfoberfläche platziert (nicht innerhalb des Kopfes oder weit von der Oberfläche entfernt).

5. Definition des motorischen Schwellenwerts

HINWEIS: Verschiedene Montagen können ausgewählt werden, um die Elektroden zu befestigen. Für dieses Experiment wurde die Anodenelektrode auf die Projektion des ersten dorsalen interosseus (FDI) Musculus des rechten Arms gesetzt, der als Ziel zur Definition der motorischen Schwelle ausgewählt wurde. Die Kathode wurde auf die Projektion des distalen Extremes der proximalen Phalanx des Zeigefingers gelegt, während die Masseelektrode am Knochen des rechten Arms in der Nähe des Ellbogens platziert wurde.

  1. Schrubben Sie die Haut der Teilnehmer und entfernen Sie die Reste des Schrubbs mit Alkoholtüchern.
  2. Nehmen Sie drei Klemmelektroden und setzen Sie sie in die entsprechenden Steckdosen des Verstärkers ein (Anode für den FDI-Muskel, Kathode für den Zeigefingerknochen und die Masseelektrode für den Bereich nahe dem Ellbogen).
  3. Klebe drei klebrige Elektroden auf die Haut des Teilnehmers. Während Sie die Elektrode am FDI-Muskel befestigen, bitten Sie den Teilnehmer, den FDI-Muskel zu spannen, indem er alle Finger zusammenfügt und dehnt, während man die Elektrode am Zeigefingerknochen befestigt, den Teilnehmer bitten, den Finger zu beugen.
  4. Befestige Klemmelektroden an klebrigen Elektroden.
  5. Verbinde den Verstärker mit der geladenen Batterie.
  6. Stellen Sie sicher, dass das Signal vom FDI-Muskel nicht verrauscht ist.
    HINWEIS: Das Signal ist bei der speziellen Software registriert (Materialtabelle). Es ist besonders notwendig, ein gutes Signal sicherzustellen, da sonst die motorische Schwelle entweder überbewertet oder unterbewertet wird. Die Rauschamplitude sollte von Spitze zu Spitze nicht 50 μV überschreiten; ansonsten versuchen Sie, den FDI-Muskel des Teilnehmers zu entspannen. Falls nötig, legen Sie den Kopf des Teilnehmers auf das Kissen oder bitten Sie ihn, die Hand kurz zu belasten und dann zu entspannen.
  7. Stellen Sie die Stimulatorintensität auf 50 % ein und passen Sie sie dann je nach Reaktion auf Impulse an, da der Bereich der motorischen Schwellenwerte beträchtlich ist.
  8. Finden Sie den Bereich des Handknopfs im präzentralen Gyrus, indem Sie die Spule nach dem 3D-Einzelkopfmodell ausrichten. Stellen Sie sicher, dass die Spule tangential zur Kopfoberfläche platziert und um 45° zur Mittellinie ausgerichtet ist. Während Sie den Motor-Hotspot finden, machen Sie mehrere Impulse im Bereich des Handknopfs und zeichnen Sie die Punkte auf der Kopfoberfläche auf, an denen die Amplitude der motorerzeugten Potentiale groß ist.
  9. Wiederholen Sie die Impulse bis zu den Punkten mit der höchsten motorischen Reaktion, um deren Stabilität zu überprüfen. Erhöhen oder verringern Sie die Stimulationsintensität, um die ungefähre Intensität zu finden, bei der eine stabile motorische Reaktion nur im potenziellen Hotspot gefunden wird.
  10. Nachdem du den Hotspot gewählt hast, orientiere die Spule in der gewählten Position und führe 10 Pulse mit der Intensität aus, mit der du den Motor-Hotspot wählst. Zähle die Anzahl der Male, in denen die Amplitude des ausgelösten Motors von Spitze zu Spitze 50 μV übersteigt. Stellen Sie die Stimulationsintensität so an, dass 5 von 10 Impulsen der motorisch erzeugten Potentialamplitude 50 μV entsprechen oder höher sind.

6. Vorbereitung auf experimentelle Stimulation

  1. Um die experimentelle Stimulation zu starten, schalten Sie die manuelle Spule auf die Spule des Roboterarms um und schalten Sie das Kühlsystem um, um die ordnungsgemäße Arbeit des Roboterarms sicherzustellen.
  2. Um einen besseren Zugang zum Interessensbereich zu ermöglichen und sicherzustellen, dass die Spirale den Bildschirm nicht verhindert, stellen Sie die Rückenlehne des Sessels so an, dass sie die Position des liegenden Teilnehmers anpasst. Aufgrund der Kopfverschiebung des Teilnehmers sollte das Navigationssystem so angepasst werden, dass es den Referenztracker und alle erforderlichen Stimulationsbereiche leicht orten kann. Falls nötig, kann der Sessel angehoben oder abgestellt werden, um sicherzustellen, dass der Roboterarm Zugang zu den Stimulationspunkten hat.
  3. Überprüfen Sie vor dem Start des Experiments die Position des Roboterarms auf der Kopffläche des Teilnehmers. Stellen Sie sicher, dass sich der Teilnehmer allmählich an die Stimulationsfrequenz gewöhnt.
  4. Da die Stimulation in der experimentellen Software ausgelöst wird, verbinden Sie den Stimulator und die Triggerstation mit dem Parallelanschluss.
  5. Aktivieren Sie die Software der Station (Materialtabelle), um die Software mit ihr zu synchronisieren, und stellen Sie die Stimulationsparameter ein. Für das Experiment selbst sollte die Anzahl der Pulse für die 20-Hz-Stimulation auf 20 gesetzt werden, und die Halbperiode auf 25 ms.
  6. Während der Trainingseinheit beginnen Sie mit einem Puls und erhöhen Sie dann die Anzahl der Pulse auf 5, 10, 15 und schließlich auf 20. Nach jedem Impuls oder jeder Pulsfolge fragen Sie den Teilnehmer, ob die Stimulation angenehm ist. Wenn die Stimulation Unbehagen verursacht, wird das Experiment abgebrochen und der Teilnehmer von der Endprobe ausgeschlossen.
    HINWEIS: Während der Ausrichtung der Spule solltest du darauf achten, dass die Spule eng zur Kopfoberfläche passt, aber nicht zu stark drückt. Wenn die Spule stark drückt oder nicht stabil auf der Kopfoberfläche bleibt, können die Empfindlichkeitseinstellungen der Spule angepasst werden.
  7. Stellen Sie die Position des Bildschirms so an, dass sie für den Teilnehmer in der Lehnungsposition vollständig sichtbar ist. Maus und Tastatur können auf die Knie der Teilnehmer oder auf das Kissen darüber gelegt werden. Stellen Sie sicher, dass die Stimulationsaufgabe in zufälligen Blöcken mit Abständen zwischen ihnen organisiert ist, wenn Sie den Roboterarm zur gewünschten Position auf der Kopfoberfläche steuern. Während der Pause kann der Teilnehmer sich etwas ausruhen.

7. Datenanalyse

  1. Wählen Sie für die Analyse die abhängige Variable (hier die Präferenzänderung auf der Likert-Skala) und unabhängige Variablen (hier: Wahl (gewählt/abgelehnt), Bewertung der Aufgabe (erst/zweit), Versuchstyp (Schalter/Nicht-Schalter/Computer) und Stimulationsblock (dmPFC/dlPFC/Sham/Vertex)).
  2. Wählen Sie den Schwellenwert für die statistische Signifikanz (hier p-Wert ≤ 0,05).
  3. Teste die Normalität der Antwortverteilung, um parametrische oder nichtparametrische ANOVA-statistische Analyse zu wählen.
  4. Durchführung von ANOVA, um die statistische Signifikans der Präferenzänderung abhängig vom Wahlstatus, Stimulationsbereich, Ziel-/Kontrollbedingung, Manipulation und Handlungsbestimmung (Wahl, Bewertungsaufgabe, Studientyp, Stimulationsfaktoren) zu testen.
  5. Führen Sie nachträgliche paarweise Vergleiche durch, um zu untersuchen, ob Präferenzänderungen innerhalb verschiedener Stimulationsblöcke, Studientypen und -auswahlmöglichkeiten signifikant sind.
  6. Passen Sie das lineare Mixed-Effects-Modell und die gewöhnliche kleinste Quadrat-Linearregression an, um die Bedeutung der Haupteffekte (Auswahl, Bewertungsaufgabe, Versuchstyp und Stimulation) und Interaktionseffekte zu testen.

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Ergebnisse

46 Teilnehmer wurden rekrutiert und auf die Stimulation vorbereitet, aber 10 Teilnehmer mussten aus der Analyse ausgeschlossen werden (8 Frauen und 2 Männer). Sieben Teilnehmer verspürten Unbehagen während der Stimulation von dlPFC und dmPFC aufgrund der starken Muskelkontraktionen, 2 Teilnehmer bemerkten die Manipulation in Switch-Versuchen während der zweiten Bewertungsaufgabe, und die Daten für einen Teilnehmer wurden aufgrund eines technischen Fehlers nicht erfasst. Eine Endstichprob...

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Diskussion

Laut der vorherigen Forschung wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Hemmung der linken dlPFC- oder dmPFC-Aktivierung den Prozess der Präferenzänderung stören sollte, wobei keine wahlinduzierte Präferenzänderung durch die harte Wahl gezeigt wird. Obwohl die tatsächlichen Ergebnisse nicht mit den erwarteten übereinstimmten, sind mehrere Implikationen für zukünftige Online-rTMS-Forschung wichtig. Die Studie baut auf den Ergebnissen von Izuma und den Kollegen10 so...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Der Artikel wurde mit Unterstützung des Zuschusses der Russischen Wissenschaftsstiftung Nr. 24-18-00432 https://rscf.ru/project/24-18-00432 erstellt und mit dem HSE-Automatisierten System der nicht-invasiven Gehirnstimulation durchgeführt, mit der Möglichkeit einer synchronen Registrierung der Gehirnaktivität und der Erfassung von Augenbewegungen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Axilum Robotic TMS-Cobot Axilum Robotics, Schiltigheim, Frankreich2/1/2002
BrainAmp ExG-Verstärker – bipolarer VerstärkerBrain Products, GmbH, Deutschland
BrainVision Recorder 1.21.0004Brain Products, GmbH, Deutschland
Stuhl mit NackenauflageMagVenture, Farum, Dänemark9016B0081
Elektrodendrähte für Oberflächen-EMGEBNeuro, Italien6515
Localite TMS Navigator – MR-basierte Software, Importdaten für
morphologische MRT (DICOM, NifTi)		Localite, GmbH, Deutschland10226
Localite TMS Navigator – Navigationspatform, Premium-EditionLocalite, GmbH, Deutschland21223
MagVenture 24,8 Coil Tracker,
Geom 1		Localite, GmbH, Deutschland5221
MagPro X100 MagOption – transkranieller MagnetstimulatorMagVenture, Farum, Dänemark9016E0731
Nuprep Skin Prep GelWeaver and Company, USA
Plastik-nicht-traumatischer KnopfE.M.S., Bologna, ItalienFIA-PG905/99
Gummiriemen – 75 cmE.M.S., Bologna, ItalienFIA-ER-PG905/8
8-förmige Spule MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Dänemark9016E0462
Klebeband
Oberflächenelektroden für EEG/EMGEBNeuro, Italien6515
Abzugsstation TS832UBrainTrends Ltd, Rom, Italien

Referenzen

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