Modulerende Cognitie Met behulp van transcraniële Direct Current Stimulatie van de kleine hersenen

Summary

Transcranial direct current stimulation (tDCS) over the cerebellum exerts a remote effect on the prefrontal cortex, which can modulate cognition and performance. This was demonstrated using two information-processing tasks of varying complexity, whereby only cathodal tDCS improved performance when the task was difficult, but not easy.

Abstract

Talrijke studies hebben onlangs gebleken dat de mogelijkheid moduleren tonen, en in sommige gevallen verbeteren, cognitieve processen prikkelen hersengebieden betrokken werkgeheugen en aandacht met transcraniële elektrische hersenstimulatie. Sommige onderzoekers geloven nu het cerebellum ondersteunt cognitie, eventueel via een externe neuromodulatory effect op de prefrontale cortex. Dit artikel beschrijft een procedure voor het onderzoeken van een rol voor de kleine hersenen in cognitie behulp van transcraniële Direct Current Stimulatie (tDCS), en een selectie van informatie-verwerking taken van verschillende moeilijkheidsgraad, die eerder is aangetoond dat het werkgeheugen, aandacht en cerebellaire functioneren betrekken . Een taak wordt genoemd het gestimuleerde Auditieve Serial Addition Task (PASAT) en de andere een nieuwe variant van deze taak genaamd het gestimuleerde Auditieve Serial Aftrekken Task (Passt). Een werkwoord generatie taak en haar twee controles (zelfstandig naamwoord en werkwoord lezing) werden ook onderzocht. Alle vijf tverzoekt werden uitgevoerd door drie afzonderlijke groepen deelnemers vóór en na de modulatie van cortico-cerebellaire verbinding met anodische kathodische of sham tDCS de juiste cerebellaire cortex. De procedure laat zien hoe de prestaties (nauwkeurigheid, verbale reactie latency en variabiliteit) selectief kan worden verbeterd na de kathodische stimulering, maar alleen tijdens taken die de deelnemers beoordeeld als moeilijk, en niet gemakkelijk. De prestaties waren onveranderd door anodale of sham stimulatie. Deze bevindingen demonstreren een rol voor het cerebellum in cognitie, waarbij de activiteit in de linker prefrontale cortex waarschijnlijk dis-geremd door kathodische tDCS de juiste cerebellaire cortex. Transcraniële hersenstimulatie groeit in populariteit in verschillende laboratoria en klinieken. Echter, de na-effecten van tDCS zijn inconsistent tussen individuen en niet altijd de polariteit-specifieke, en kan zelfs taak- of load-specifieke, die allemaal is verder onderzoek nodig zijn. Toekomstige inspanningen kan ook worden begeleid naar neuro-audiotoebement in cerebellaire patiënten met cognitieve stoornissen eenmaal een beter begrip van hersenstimulatie mechanismen ontstaan.

Introduction

Elektriciteit is gebruikt in de geneeskunde meer dan 100 jaar. Vandaag, hersenstimulatie wordt steeds vaker gebruikt in verschillende laboratoria en klinieken als onderzoeksinstrument voor het testen van hypothesen over hoe motorische en cognitieve functies worden uitgevoerd door de grote hersenen en de kleine hersenen, en hoe verbindingen tussen deze twee hersengebieden ondersteunen deze functies. Wat de cerebellum, dit mede doordat de laterale cerebellaire hemisferen, die vermoedelijk betrokken bij cognitie (zie hieronder), zijn toegankelijk voor transcraniële elektrische stimulatie, zijn gevoelig voor de effecten van polariserende stromingen, en omdat de werkwijze relatief goedkoop en gemakkelijk uit te voeren in proefpersonen. De in dit artikel beschreven hersenstimulatie procedure laat zien hoe cognitieve processen zoals werkgeheugen en aandacht tijdens taken die 'meer' in plaats van 'minder' cognitief veeleisende ¹ zijn kan worden vergemakkelijkt. Het interpreterenatie van deze taakspecifieke resultaten, stevig beperkt door een begrip van de fysiologie van de cerebro-cerebellaire route. Neuro-enhancement effecten, zelfs wanneer taken moeilijk worden waargenomen na elektrische stimulatie van de prefrontale cortex ^2,3,4,5.

Het cerebellum speelt een belangrijke rol in het voorspellen, timing en uitvoeren van bewegingen ^6. Echter, verschillende lijnen van het onderzoek suggereren nu dat de kleine hersenen cognitieve processen kunnen beïnvloeden. In de anatomische domein, bijvoorbeeld, een groot aantal studies hebben gesuggereerd dat wederkerige verbindingen tussen de regio's van de prefrontale cortex en het cerebellum (dat wil zeggen, het cerebro-cerebellaire pathway) cognitie zou kunnen ondersteunen ^{7,8,9,10,11,12.} In de klinische domein sommige patiënten met schade aan bepaalde delen van de achterste cerebellum aanwezig met intellectuele en emotionele problemen, waarvan de symptomen opgevat in de hypothese dysmetria van denken, enklinisch aangeduid als de 'cerebellaire cognitieve affectieve syndroom (CCAS), terwijl die met schade aan delen van het cerebellum, aanwezig met motorische stoornissen (bijv, ataxie) en opgevat als anterieure' dysmetria van beweging ^'13,14,15. In de beeldvorming van de hersenen domein hebben Schmahmann en collega ^16,17 functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en functionele connectiviteit gebruikt om taak-specifieke regio's van de kleine hersenen in kaart en de aansluitingen deze gebieden te maken met de prefrontale kwab tijdens motorische en cognitieve taken.

De cognitieve taken die in deze studie werden geselecteerd omdat ze eerder aangetoond zogenaamde niet-motorische gebieden van het cerebellum activeren. Maar ze stelde ons ook partitioneren uit motorische en cognitieve taak componenten, die werd bereikt door het variëren van de mate van cognitieve opzichte van motorische eisen die nodig zijn om ze correct uit te voeren, en de tussenkomst van een hersenstimulatie procedure dat eerder werd aangetoond dat de hersenen-gedrag relaties moduleren. Recente pogingen om de hersenfunctie en gedrag te moduleren hebben opgenomen het gebruik van polariserende stromingen over de hoofdhuid, genoemd, transcraniële Direct Current Stimulatie (tDCS). In feite hebben clinici stimuleert de cerebellaire cortex met geïmplanteerde elektroden in patiëntenpopulaties sinds 1970 met bemoedigende therapeutische resultaten ^18. Vandaag de dag, het stimuleren van de hersenen over de hoofdhuid wordt gerealiseerd nuttig zijn voor het bestuderen van de hersenen-gedrag relaties bij gezonde deelnemers te zijn.

TDCS bij mensen gewoonlijk omvat het leveren van een lage (1-2 mA) gelijkstroom (DC) continu door een paar zoutoplossing gedrenkte elektroden voor 15-20 min. Een doorsnee-montage voor het stimuleren van de hersenen zou men (anodische) elektrode omvatten op het hoofd wordt geplaatst (de hersenen gebied van belang) en de andere (kathodische) elektrode op de wang (cephalica) of schouder wordt geplaatst (geenn-cefale) aan de contralaterale zijde van het lichaam. Voor het stimuleren van de kleine hersenen, intracerebrale stroom tussen de twee elektroden relatief weinig functionele verspreid naar nabijgelegen gebieden (bijvoorbeeld visuele cortex ¹⁹⁾ en wordt gedacht wekken of drukken Purkinje cellen in de cerebellaire cortex ^20, die zowel neurofysiologische en gedragsmatige veranderingen. De verspreiding van de huidige en de effecten van cerebellaire-tDCS bij de mens worden afgeleid uit het modelleren van gegevens of uit dierstudies, en uit indirecte effecten op de motorische cortex. In de motor domein zijn de effecten ook aangetoond dat de polariteit-specifiek te zijn, zoals blijkt uit de gevolgen van cerebellaire stimulatie op de motorische cortex prikkelbaarheid ^20. Bijvoorbeeld, anodische stimulering heeft algemeen een prikkelende werking en verhoogt het rendement van Purkinje cellen; toenemende remming van de facilitaire route van de cerebellaire kernen naar de cerebrale cortex, terwijl kathodische stimulering heeft in het algemeen een tegengestelde effect ie, dis-remming van de cerebrale cortex door het verminderen van Purkinje cel remming van de cerebellaire kernen. Anatomische studies bij primaten onthullen hoe Purkinje cellen een faciliterende rijden op zowel motorische en cognitieve circuits zou kunnen uitoefenen, via een synaptische relais in de ventrale-laterale thalamus ^21. Echter, recente tDCS studies bij de mens suggereren dat de anodale-kathodische onderscheid duidelijk cut niet kan zijn. Bijvoorbeeld, de na-effecten van tDCS dan motorische cortex zijn zeer variabel tussen individuen, en zijn niet altijd de polariteit-specifieke ^22. Vergelijkbare kritiek worden ook geheven naar resultaten in het cognitieve domein ^23. Dit kan helpen verklaren waarom de effecten op de cognitieve functies zijn moeilijker te detecteren en te interpreteren dan de directe effecten van het cerebellum van motorische gebieden door cerebellaire hersenen remming (CBI ^20). Dergelijke waarnemingen wijzen op de noodzaak om individuele factoren die de effectiviteit van de hersenen stimulat bepalen beter te begrijpenion en verbeterde procedures te ontwikkelen voor het stimuleren van de hersenen.

Veranderingen in zowel motorische en cognitieve functies fysiologisch aannemelijk via elektrische stimulering van de cerebello-thalamo-corticale route ^24. Met betrekking tot de cognitieve functies, heeft een modulerend effect van cerebellaire-tDCS op verbaal werkgeheugen gemeld ^25,26. En blijvende effecten op de cognitie van het stimuleren van gebieden van de prefrontale cortex zijn ook waargenomen ^2,3,4,5. Echter, de fysiologische effecten van hersenstimulatie op de neuronen zijn verschillend, afhankelijk van de vraag of het gedrag wordt getest tijdens de (on-line effecten) of na (off-line effecten) de stimulatie periode ^27. Er is gesuggereerd dat on-line effecten kunnen veranderingen in de intracellulaire omgeving (bv., Ion concentraties) en de elektrochemische gradiënt (bijv membraanpotentialen), terwijl off-line effecten kunnen onder meer blijvende veranderingen in neurale activity vanwege veranderde intracellulaire processen (bijvoorbeeld receptor plasticiteit) ^27. Met het huidige onderzoek off-line effecten, waarbij tDCS wordt toegepast in-tussen twee sessies cognitieve testen, en gedrag wordt vergeleken tussen de twee sessies.

Onderzoek een rol voor het cerebellum in cognitie wordt bijgestaan ​​door het gebruik van taken die eerder is aangetoond dat cerebellaire functioneren betrekken. Een bepaalde taak gaat rekenkundige redeneringen en verdeelde aandacht en wordt het gestimuleerde Auditieve Serial Addition Task (PASAT ²⁸⁾ genoemd. Het is uitgebreid gebruikt om verschillende cognitieve functies te evalueren bij zowel gezonde als patiëntenpopulaties. De test omvat meestal de deelnemers luisteren naar nummers die elke 3 seconden, en het toevoegen van het nummer dat ze horen tot het aantal dat ze eerder gehoord (in plaats van het geven van een lopend totaal). Het is een uitdagende taak en legt een hoge mate van WM, aandacht en rekenkundige vaardigheden. Het gaat ook activiteit in de hersenen en de kleine hersenen geassocieerd met deze specifieke elementen van de taak als onthuld op PET ²⁹ en ³⁰ MRI. Om de taak meer cognitief moeilijker en attentionally veeleisende (zoals bevestigd door anderen in een recente studie ³¹ te maken, werden de oorspronkelijke gebruiksaanwijzing veranderd, zodat de deelnemers waren verplicht om het nummer dat ze horen van het nummer dat ze eerder gehoord aftrekken. We noemen deze nieuwe taak de Gestimuleerde Auditieve Serial Aftrekken taak (Passt ^1), en het is moeilijker uit te voeren dan de PASAT zoals blijkt uit subjectieve beoordelingen van moeilijkheidsgraad en significant langere reactietijden ^1. Beide versies van de taak waren zo opgenomen dat was cognitief moeilijker en attentionally eisen uit te voeren dan de andere, terwijl de motor eisen (geheime speech operaties) waren vergelijkbaar tussen taken. Als de kleine hersenen is betrokken bij cognitie, dan verstoren zijn functie met tDCS kunnen interfereren met de rol van deze sTRUCTUUR tijdens de uitvoering op de Passt, maar niet noodzakelijkerwijs op de PASAT.

Een andere taak uitgebreid gebruikt om een rol voor de kleine hersenen te onderzoeken tijdens de spraak en taal aspecten van cognitie is het werkwoord Generation Task (VGT ^{32,33,34,35,36,37).} Zoals de PASAT, is uitgebreid gebruikt om verbaal werkgeheugen testen gezonde en patiëntenpopulaties. Kortom, de VGT vereist participeert hardop te zeggen dat een werkwoord (bv drive) in reactie op een visueel voorgesteld naamwoord (bv auto), vergeleken met de prestaties op een controle-opdracht waarbij de deelnemers te lezen naamwoorden hardop. Het genereren van werkwoorden en lezen zelfstandige naamwoorden hebben vergelijkbare perceptuele en motorische eisen, maar verschillende verbale WM eisen (dwz meer semantische analyse). En een grotere activiteit in een cerebro-cerebellaire netwerk wordt geassocieerd met het genereren van werkwoorden in vergelijking met het lezen van zelfstandige naamwoorden ^34,35,36. Woorden worden ook sneller (een effect van priming) wanneer de taken zijn gegenereerdherhaald met dezelfde woorden (in willekeurige volgorde) in blokken en cerebro-cerebellaire activiteit toeneemt wordt waargenomen op ³³ PET en fMRI ^37.

In dit artikel wordt een werkwijze beschreven voor het aanbrengen tDCS via cerebellum een ​​rol voor deze hersenstructuur in cognitie onderzoeken, samen met twee rekenkundige (één experiment) en drie taaltaken (experiment twee) verschillende moeilijkheidsgraad, waarin drie afzonderlijke groepen deelnemers uitgevoerd vóór en na de stimulatieperiode. Wij veronderstelden, gegeven een rol voor de kleine hersenen in cognitie, dat de prestaties op de meer veeleisende taken (dwz Passt en werkwoord generatie) zou meer door tDCS (off-line effecten) dan de prestaties op de minder veeleisende taken (PASAT en zelfstandig naamwoord worden beïnvloed / werkwoord lezing).

Protocol

OPMERKING: Alle deelnemers gaven informed consent en de studie werd goedgekeurd door de Universiteit van Birmingham ethische commissie.

1. Vraag de deelnemer naar het informatieblad te lezen en te voltooien de tDCS screeningquestionnaire (bijlage 1), en als er geen contra-indicaties voor het uitvoeren van tDCS, vraag hen dan om het toestemmingsformulier ondertekenen.

2. Voer experiment één (berekening taken) en experimenteren twee (taal taken), de een na de andere, in de pseudo-willekeurige volgorde, voordat (sessie één) en na (sessie twee) de stimulatie periode in een rustige kamer om afleiding te verminderen en toestaan ​​nauwkeurige registratie van auditieve responstijden, die worden berekend off-line.

3. In experiment één, presenteren de auditieve stimuli (bijv., Nummers) over een headset (tabel van Materialen / Equipment). In experiment twee, presenteren de visuele stimuli (dwz woorden) op een computerscherm. In beide experimenten, de poort van de headset microfoon door de amplitude van auditieve reacties van de deelnemers.
OPMERKING: Alle taken waren geautomatiseerd en liep op een laptop computer bestuurd door stimulus presentatie en opname software (tabel van Materialen / Equipment).

4. Aan het einde, uit te leggen aan de deelnemers het doel van het onderzoek (dat wil zeggen, debrief), en vraag hen om de moeilijkheidsgraad van elke taak op een schaal van 1 (eenvoudig) - 10 (hard). Ook uit te leggen aan de deelnemers om niet deel te nemen in een andere hersenstimulatie experiment gedurende ten minste 7 dagen, en contact opnemen met de experimentator als zij nadelige gevolgen van tDCS moeten voelen.

5. Experiment One (Berekening Taken)

5.1) Het uitvoeren van het gestimuleerde Auditieve Serial Addition Task

OPMERKING: De PASAT wordt geleverd in een 3 sec en een 2 sec versie.

1. Gebruik de 60 items elk in de 3 sec en 2 sec versies voor toevoeging taak en het aftrekken taak, respectievelijk. Furthermerts, gebruik maken van de items op de PASAT-formulier A voor de stimulatie periode (sessie één), en de punten op de PASAT-Form B, na de stimulatie periode (sessie twee).
   OPMERKING: Tegenwicht de volgorde waarin de deelnemers voeren de PASAT en de Passt, zodat de prestaties op een taak niet overdragen aan de andere.
2. Zit de deelnemer in de voorkant van het computerscherm en uit te leggen dat ze gaan om een reeks getallen te horen via de headset, en dat ze nodig zullen zijn om het nummer toe te voegen ze horen aan het aantal dat ze onmiddellijk voordat het gehoord, en dan vocalise het antwoord, en doorgaan met het nummer ze horen toe te voegen aan de ene voordat hij (en niet om een ​​lopend totaal te geven). Plaats de microfoon voor de mond van de deelnemer voor aanvang van de taak.
3. Start de opdracht en vragen de deelnemer aan de standaard instructies die worden gepresenteerd op het computerscherm, die formeel wordt uitgelegd hoe u de PASAT voeren lezen. Uitvoerende taak zodra de deelnemer is volledig begrepen de instructies.
   OPMERKING: Een schriftelijke voorbeeld wordt ook voorgelegd aan hen. Deze instructies zijn vergelijkbaar met die van de oorspronkelijke versie van de taak.
4. Tijdens de taak, elk antwoord op de afgedrukte scoreformulier (bijlage 2) om controle achteraf opschrijven. Geef geen score als de deelnemer geeft een onjuist antwoord of niet reageert. Zorg ervoor dat de prikkels zijn hoorbaar, zodat de taak kan worden gevolgd (als alternatief presenteren het experiment via luidsprekers), en markeer elk goed antwoord op zijn beurt.
5. Vertel de deelnemers niet te praten en / of orale berekeningen uit te voeren (of gebruik de vingers om de prestaties te helpen) tijdens de taak en dat alleen het antwoord moet hardop worden uitgesproken.

5.2) Het uitvoeren van het gestimuleerde Auditieve Serial Aftrekken Task

1. Vertel de deelnemers dat de instructies voor het aftrekken taak (Passt) zijn hetzelfde voor de toevoeging taak (PASAT), behalve deze keer zijn zedie nodig is om het nummer dat ze horen van het nummer dat ze onmiddellijk voordat het gehoord aftrekken, en dan vocalise het antwoord, en doorgaan met het nummer dat ze horen van de ene aftrekken onmiddellijk voor het (en niet te vergeten een lopend totaal te geven). Nogmaals, zorg ervoor dat de microfoon niet uit de buurt van de mond van de deelnemer is verhuisd.
2. Zodra de deelnemer de instructies aan hen op het computerscherm met betrekking tot het aftrekken taak heeft gelezen, en ze volledig begrepen - het uitvoeren van de taak. Ook herinneren deelnemers geen berekeningen oraal of met behulp van de vingers te voeren.

5.3) perforing de Practice Sessions (PASAT EN Passt)

OPMERKING: Een training wordt uitgevoerd door elke deelnemer voorafgaand aan het uitvoeren van elke taak in het experiment de ene naar de snelheid waarmee de deelnemers de taken kan uitvoeren binnen een bepaalde limiet aan het plafond effecten te vermijden bepalen. Dit te bereiken door het opnemen van 45 artikelen tijdens practice (in tegenstelling tot de oorspronkelijke 10 items).

1. Leg aan de deelnemer dat ze gaan naar de PASAT en / of de Passt (afhankelijk van welke taak is eerst te worden uitgevoerd) zoals hierboven beschreven uit te voeren. Alleen tijdens de oefensessie, verhogen de presentatie koers van de auditieve items door het verminderen van de inter-stimulus interval van 300 msec na elk blok van vijf items, tussen het interval scala van 4,2-1,8 sec.
2. Tijdens de praktijk mee de presentatie koers die de deelnemer veroorzaakt aan 3 opeenvolgende fouten te maken (maar laat ze de oefensessie afmaken), en het gebruik van het tarief voorafgaand aan deze cut-off punt tijdens de taak.
3. Selecteer de stimulus presentatie tarief voor elke deelnemer, en dit percentage tussen de sessies door één en twee (dwz., Voor en na stimulatie) te behouden. Geef de deelnemer een korte pauze tussen elke taak (ongeveer 30 sec).

6. experiement Twee (Taal Taken)

6.1) Het uitvoeren van de Verb Generation Task

OPMERKING: Voer het zelfstandig naamwoord lezen, het werkwoord generatie en het werkwoord lezen taak in deze volgorde (gescheiden door een korte pauze), zodat de woorden die in het werkwoord lezen taak niet voorbereidt een snellere respons bij het werkwoord generatie taak. Elke taak bestaat uit 3 praktijk woorden en 6 blokken 10 proeven.

1. De bouw van een lijst van 40 betonnen naamwoorden gerelateerd aan gereedschappen / objecten die kunnen worden gemanipuleerd met de handen of voeten, en 40 betonnen werkwoorden in verband met acties die worden uitgevoerd met de instrumenten / voorwerpen uit een onafhankelijke groep van deelnemers, waarbij dezelfde naamwoord-werkwoord paren worden gegenereerd met meer dan de helft van de groep, zoals in Paus en Miall ^1. Vermijd naamwoord-werkwoord paren die dezelfde reacties te genereren (bv, diner-eten, appel-eten) of geen betrekking hebben op het menselijk handelen (bijvoorbeeld, oven-bak). Heden de helft van de woorden in de sessie een en de andere helft in sessie twee.
2. Leg aan de deelnemer dat zij have een geschikte verb (bijv aandrijving) in reactie op de gepresenteerde naamwoord (bijvoorbeeld auto) vinden. Verduidelijken dit zelfstandig naamwoord-werkwoord relatie met de deelnemers aan het begin van de taak.
3. Presenteer de woorden centraal op het computerscherm in een andere willekeurige volgorde in blokken 1-5 (herhaalde woorden), en presenteren nieuwe woorden in blok 6 (roman woorden). Zorg ervoor dat elk woord wordt vervangen door het volgende woord als de microfoon een reactie detecteert.
   OPMERKING: Zorg dat de woordenlijsten in sessies één en twee zijn verschillend, en gecompenseerd tussen de deelnemers.
4. Start de opdracht en vragen de deelnemer aan de standaard instructies die worden gepresenteerd op het computerscherm, die formeel wordt uitgelegd hoe u het werkwoord generatie taak lezen.
5. Zodra de deelnemer volledig begrepen heeft de taak, de positie van de microfoon voor de mond, en hen te instrueren woorden te produceren zodra ze verschijnen op het computerscherm.
6. Noteer of opnemen van elk antwoord sprakn hardop door de deelnemer voor controle achteraf. Maak een notitie van eventuele fouten of gemiste reacties.

6.2) Het uitvoeren van de nominale en Verb leestaken

OPMERKING: Heden woorden op dezelfde wijze als in het werkwoord generatie taak. Deelnemers lezen naamwoorden in het zelfstandig naamwoord leestaak, en werkwoorden in het werkwoord lezen taak.

1. Voor zowel het lezen van taken, instrueren de deelnemer aan elk woord voorlezen zodra het op het computerscherm verschijnt.
2. Controleer of de deelnemer elk woord juist heeft gelezen, zowel tijdens het lezen van taken door te kijken naar het scherm zoals woorden worden voorgelezen.
   OPMERKING: Zorg dat de positie van de microfoon niet is verhuisd uit de mond van de deelnemer aan tussen taken.

7. Het uitvoeren van de kleine hersenen tDCS

OPMERKING: TDCS wordt beschouwd als veilig voor gebruik bij mensen. Echter, de onderzoeker het toedienen van tDCS in dit onderzoek was een eerste-aider. Het is advIsable dat een EHBO-er is bij de hand bij het uitvoeren van tDCS, om ervoor te zorgen dat de veiligheid van de deelnemers niet in het gedrang komt als ze het gevoel onwel / flauw tijdens de procedure. Laat nooit een deelnemer zonder toezicht bij het toedienen van tDCS.

1. Twee weken dienen spons elektroden (oppervlak = 25 ^cm2) in een standaard 0,9% NaCl-zoutoplossing totdat ze verzadigd.
2. Om prikkelende (anodische) stimulatie via juiste cerebellaire cortex beheren, plaats de rode elektrode, 1 cm onder, en 4 cm rechts van de meest prominente projectie van het occipitale bot (INION).
   LET OP: Deze laterale positie op de hoofdhuid benadert de locatie van cerebellaire lobulus VII.
3. Om de elektrode montage te voltooien, plaatst u de referentie of de kathodische elektrode (blauw) op de rechter schouder over de deltaspier.
4. Om remmende (kathodische) stimulatie toe te dienen, herhaalt u de bovenstaande procedure en de positie van de twee spons elektroden andersom (dat wil zeggen,Plaats de blauwe elektrode op het hoofd en de rode elektrode op de schouder).
5. Om schijnvertoning tDCS beheren, leveren pseudo stimulatie (bijvoorbeeld 110 uA meer dan 15 msec, elke 550 msec) gedurende 20 minuten in plaats van de stimulatie stroom. Plaats de twee elektroden hetzelfde als hierboven, maar tegenwicht de positie van de rode en blauwe elektrodes tussen de deelnemers aan de sham groep.
6. Bevestig de natte elektroden stevig aan het hoofd en de bovenarm met rubberen bandjes of zelfklevend wrap. Leg papieren handdoek rond de nek van de deelnemer te dweilen druipende zoutoplossing.
   OPMERKING: Controleer of de beoogde positie van de elektroden niet is verhuisd nadat ze zijn beveiligd. Voor een optimale elektrode-huid-interface zorgen, zorg ervoor dat de elektroden worden plat gelegd op de hoofdhuid, en niet over het haar.
7. Aan elke stimulatie interventie toe- en afname, respectievelijk de gelijkstroom in een ramp-achtige wijze op 10 sec ^38,39 onset en offset.Stel de intensiteit van de stimulatie bij 2 mA en te leveren voor 20 min met behulp van een betrouwbare huidige gereguleerde DC stimulator (tabel van Materialen / Equipment).
   OPMERKING: Deze intensiteit is vergelijkbaar met die van anderen ²⁵ en wordt beschouwd als een veilig niveau van blootstelling ^40, ruim onder de drempel voor het veroorzaken van weefselschade ^41.
8. Vertel de deelnemer rusten / ontspannen tijdens de stimulatieperiode en ontmoedigen ze gebruiken elektronische apparaten, om zo te voorkomen dat er storende variabelen die mogelijk invloed de uitkomst van het experiment.
   Opmerking: Het is gebruikelijk voor de deelnemers een milde jeuk op één of beide elektroden plaatsen (en / of metaalachtige smaak in de mond) wanneer de stimulerende stroom begint te voelen. Geruststellen deelnemers dat deze sensaties verdwijnen na een paar seconden - het verlaten van tDCS ongemerkt.
9. Toepassing anodale kathodische of sham stimulatie om drie verschillende groepen van deelnemers aan pseudo random ordER (tussen-deelnemers, die niets monsters). Zorg ervoor dat het totale aantal, geslacht en gemiddelde leeftijd van de deelnemers is vergelijkbaar tussen de groepen als in Paus en Miall ^1.

8. Na hersenstimulatie, herhaal de PASAT (stappen 5.1-5.1.5) en de Passt (stappen 5.2-5.2.2) in een tegenwicht orde, en het zelfstandig naamwoord en werkwoord leestaken (stappen 6.2-6.2.2) en de werkwoord generatie taak (stappen 6.1-6.1.6) in deze volgorde. Voeren experiment één (berekening taken) en experimenteren twee (taal taken) in de pseudo-willekeurige volgorde. Voorzien niet in de praktijk aan beide taak volgende hersenen stimuation.

OPMERKING: In andere studies van cognitie, heeft reële en sham stimulatie toegepast op dezelfde cohort (binnen-deelnemers, gerelateerd monsters), gescheiden door een wash-out duur van ten minste 5-7 dagen ^25,26. Echter, differentiëren sham en echte stimulatie is makkelijker bij hogere huidige sterktes ^42. Dit kan problematisch zijn in een metin-deelnemers ontwerp, maar niet in een tussen de deelnemers ontwerp zoals hier beschreven.

Results

Data-Analyse

In één experiment werden de resultaten in termen van het aantal correcte antwoorden of voor nauwkeurigheid geanalyseerd (uitgedrukt als percentage correct), en het gemiddelde en variatie (standaard deviatie) van verbale reactietijden deelnemers via afzonderlijke gemengd ANOVA, zowel taken ( PASAT vs. passt), tussen Sessions (vóór vs. na) en over groepen (anodale kathodische of sham). In experiment twee, het gemiddelde en de variabiliteit van verbale reacties van de deelnemers werden geanalyseerd door ze te vergelijken tussen de eerste (Blok 1) en laatste (Blok 5) set herhaalde woorden (totaal bedrag van leren) het gebruik van afzonderlijke gemengde ANOVA's binnen elke taak (werkwoord generatie versus naamwoord lezen vs. werkwoord lezing), Session (vóór vs. na) en Group (anodale kathodische of sham). De resultaten van onjuiste antwoorden werden uitgesloten van alle data-analyse, samen met de antwoorden die werden langdurig (meer dan + 2 SD van het gemiddelde) in het experiment twee alleen.

ove_content "> Experiment One (rekentaken)

Stimulus Presentatie Rate

Paarsgewijze t-toetsen aangepast voor meerdere vergelijkingen bevestigd dat de deelnemer-specifieke stimulus presentatie tijdens praktijken opgericht tarieven verschilde niet significant tussen de drie groepen (sham, de anodische en kathodische groepen, 2,56, 2,50 en 2,49 sec, respectievelijk F _{2, 63} = 0,23 P = 0.79).

Nauwkeurigheid Scores

Het aantal juiste antwoorden verhoogd sessie twee (84,47%) ten opzichte van een zitting (76,30%) waarschijnlijk door praktijk (figuur 1), maar dat na kathodische (77,50 versus 89,32%), dan na anodische (77,80 vs . 82,80%) of placebo (77,81 versus 80,91%) stimulatie, zoals bevestigd door een Task x Session x Group interactie die significant met ANOVA was (F _2,63 = 4,61; p <0,05).

Figuur 1:. Nauwkeurigheid scores voor en na cerebellaire tDCS Het aantal juiste antwoorden (gemiddelde 1 SEM, n = 20) selectief verbeterd na de kathodische stimulering van sessie een (pre-stimulatie) tot sessie twee (post-stimulatie), significant meer in het aftrekken taak (Passt) dan in de toevoeging taak (PASAT). Sterretjes tonen significante verschillen (p <0,05) zoals geopenbaard gecorrigeerde gepaarde vergelijkingen. Dit cijfer is gewijzigd van paus en Miall ^1.

Verbale responstijden

Juiste antwoorden aanzienlijk sneller waren tijdens de PASAT dan tijdens de Passt (1372 vs. 1447 msec; F _1,57 = 11,70, p <0,001), en meer nog na tDCS (1446 vs. 1374 msec; F _1,57 = 36.43, p <0.001). Inderdaad, de Task door Session van Group interactie was bijna significant (F _1,57 = 2,65, p = 0,08), waarbij responstijden tijdens de Passt gedaald meer na de kathodische stimulering (1509 versus 1322 msec), dan na anodale (1491 vs . 1427 msec) of placebo (1504 versus 1427 msec) stimulatie. Deze trend was niet duidelijk tijdens de PASAT.

Responstijd variabiliteit

De consistentie van reactietijden ook aanzienlijk afgenomen tussen een sessie (386 msec) en twee (354 msec; F _1,57 = 16,86, p <0,001) zoals getoond in figuur 2b. Van bijzonder belang, de Task X sessie x Group interactie was significant (F _2,57 = 11,16, p <0,001). Dit resultaat suggereert dat responstijd variabiliteit tijdens de Passt gedaald meer na de kathodische (403 vs.273 msec), dan na anodale (418 versus 398 msec) of placebo (396 versus 368 msec). De vermindering van de responstijd variabiliteit was gelijk over de drie stimulatie groepen gedurende de toevoeging taak.

Figuur 2: (A) Mean verbale responstijden voor en na cerebellaire tDCS. Het gemiddelde van verbale reactietijden deelnemers (gemiddelde + 1 SEM, n = 20) selectief verbeterd na kathodische stimulering van sessie een (pre-stimulatie) sessie twee (post-stimulatie), zij het ​​niet significant (p = 0,08) in de aftrekken taak dan de toevoeging taak. Dit cijfer is gewijzigd van paus en Miall ^1. (B) Verbal responstijd variabiliteit voor en na cerebellaire tDCS. De variabiliteit (standaarddeviatie) van verbale responstijden deelnemers (gemiddelde 1 SEM, n = 20) selectief te verbeterend aanzienlijk na de kathodische stimulering tussen de sessies tijdens aftrekken, maar niet tijdens het toevoegen. Dit cijfer is gewijzigd van paus en Miall ^1.

Experimenteren Twee (Taal Taken)

Gemiddelde totale leren

Een effect van leren tussen blokken 1-5 werd berekend voor elke deelnemer en vonden vergelijkbare tijdens naamwoord (0,03 sec) en verb (0,03 sec) leestaken, maar meer in het werkwoord generatie taak is (0,20 sec [zie afbeelding 3] ) zoals blijkt uit een significant hoofdeffect van Task (F _2,56 = 67,17, p <0.001). Interessant is dat een aanzienlijke sessie x Task x Group interactie (F _4.114 = 2.44, p = 0.05) suggereerde dat tDCS selectief verbeterd leren tussen sessies op de werkwoord generatie taak na kathodische (0.18 vs. 0.31 sec), maar niet na anodische (0,18 versus 0,17 sec) of placebo (0,17 vs. 0,19 sec).

Figuur 3:. Gemiddelde totale leren tussen herhaalde blokken Mean reacties (gemiddelde 1 SEM, n = 20) tussen de blokken 1-5 waren sneller na tDCS tijdens het werkwoord generatie (VG) taak, dan tijdens het zelfstandig naamwoord lezen (NR), werkwoord lezen (VR) taken. Sterretjes tonen significante verschillen (p <0,05) zoals geopenbaard gecorrigeerde gepaarde vergelijkingen. Dit cijfer is gewijzigd van paus en Miall ^1.

Totaal leren variabiliteit

De consistentie van het leren tussen blokken 1-5 werd berekend (zie figuur 4), en bleek selectief verbeterd in het werkwoord generatie taak na kathodische (0.08 vs. 0.19 sec), maar niet na anodische (0,08 vs. 0,08 sec) of sham (0,08 versus 0,06 sec) tDCS als gekenmerkt door een significant Session x Task X-groep interactie, (F ₄₁₁₄ = 2,23 p <0,05).

Figuur 4:. Totaal leren variabiliteit tussen herhaalde blokken De variabiliteit van de respons (gemiddelde SD 1 SEM, n = 20) tussen de blokken 1-5 waren consistenter na tDCS tijdens het werkwoord generatie (VG) taak, dan tijdens het zelfstandig naamwoord lezen ( NR), werkwoord lezen (VR) taken. Sterretjes tonen significante verschillen (p <0,05) zoals geopenbaard gecorrigeerde gepaarde vergelijkingen. Dit cijfer is gewijzigd van paus en Miall ^1.

Discussion

TDCS is uitgegroeid tot een populaire tool in de afgelopen jaren voor het bestuderen van de hersenen-gedrag relaties. Het onderhavige artikel beschrijft een procedure voor het onderzoeken van de cognitieve functies van het cerebellum met behulp van tDCS en diverse tests van rekenen en taal die verschillende mate van werkgeheugen en aandacht nodig. De resultaten voor het experiment één liet zien hoe de kathodische stimulering van de juiste cerebellaire hemisfeer verbeterde taak nauwkeurigheid en verbale respons variabiliteit (ten opzichte van de anodische en sham stimulatie) tijdens een moeilijke en cognitief veeleisende informatie-verwerking taak die mentale aftrekken (het tempo auditieve seriële aftrekken taak [ passt]), maar niet tijdens een eenvoudiger en minder veeleisende versie waarbij mentale toevoeging (het tempo auditieve seriële Daarnaast taak [PASAT]). Aangezien deze beide taken delen dezelfde motor control (dat wil zeggen, verbale handelingen), maar ongelijksoortige cognitieve belasting (dwz., Mentale inspanning), speculeerden wij in onze vorige studie1 dat de kathodische depressie van de juiste cerebellaire cortex zou vrijgeven extra cognitieve hulpbronnen wanneer taakeisen hoog zijn. De kathodische tDCS werd verwacht dat het cerebellum hyperpolariseren, druk Purkinje cel output, en het verminderen van cerebellaire-brain inhibitie (CBI ^20). Deze visie wordt ondersteund door de bevinding dat functionele connectiviteit tussen het cerebellum en de prefrontale cortex (dwz cerebello-thalamo-corticale route ¹⁰⁾ tijdens rekenkundige is taak- en difficulty- gevoelige ^43. De resultaten van experiment men niet kan worden verklaard door enige verandering in cerebellaire bijdrage aan motorische controle, aangezien deze vergelijkbaar in PASAT en Passt, maar de mentale processen die moeten aftrekken voeren versus toevoeging verschillend. De resultaten van dit experiment suggereren in plaats dat de effecten van cerebellaire-tDCS op cognitie waarschijnlijk taak- of load-specifiek. In experiment twee, ook kathodische stimulering selectief taakuitvoering verbeterd tijdens eentaal protocol, zodanig dat de respons kreeg sneller en werden meer consequent getimed over vijf opeenvolgende blokken van studies waarin deelnemers gegenereerd werkwoorden in reactie op visueel voorgesteld zelfstandige naamwoorden. Dit priming effect aanvulling op de resultaten van experiment ene en ook bevindingen van anderen tonen hoe anodische tDCS via linker dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC) kan verbale vloeiendheid ⁴⁰ en benoemen van plaatjes latencies ^41,44 verbetering - de hypothese ondersteunt dat dezelfde patronen kunnen facilitatie worden ingelast kathodische tDCS via rechter cerebellaire hemisfeer (zoals waargenomen in experiment twee). Tezamen bieden deze bevindingen ondersteunen een rol voor de kleine hersenen - zij het ​​indirect - in taal, leren en geheugen ^45, lenen verdere steun aan het idee dat het cerebellum cognitieve processen kunnen beïnvloeden in de prefrontale cortex: een belangrijke site voor veel werkgeheugen (WM ) operaties.

Cognitieve verbeteringen are fysiologisch aannemelijk omdat het cerebellum oefent een externe invloed op de prikkelbaarheid in de DLPFC, via excitatie van het cerebro - cerebellaire pad. Verder bewijs voor koppeling tussen het cerebellum en de prefrontale cortex wordt beschreven in het werk van Hamada en collega waarbij associatieve plasticiteit geïnduceerd door sensorische / motorische prikkels gekoppeld aan 25 ms - gepaarde associatieve stimulatie (PAS), waargenomen worden geblokkeerd door cerebellar- tDCS ^46. En dagelijkse sessies van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) via cerebellum is aangetoond posturale controle en wandelen en dual-tasking bij een patiënt met cerebellaire atrofie ⁴⁷ verbeteren. Deze motorische en cognitieve verbeteringen werden gekenmerkt door een stijging motor opgewekte potentialen geïnduceerd door motor corticale stimulatie wanneer het cerebellum werd ook geëxciteerd milliseconden vooraf (onderzocht met dual-coil, gepaarde puls TMS) door minder remming cerebellaire-hersenen ( CBI) datduurde 6 maanden na de behandeling. Farzan en collega's ⁴⁷ gecrediteerd de verbeteringen in de cognitieve functie om een gevolg van verbeterde motorische functie en de bevrijding van de middelen voor de uitvoering van de dual-taak. Cerebellaire circuits - - de vermindering van de CBI veroorzaakt door TMS kan ook prefrontale cortex functie rechtstreeks, via spannende c erebro hebben verbeterd verbeteren van cognitieve capaciteit. Deze laatste verklaring is in overeenstemming met die waargenomen met behulp van de in dit artikel dat een procedure voor het selectief verbeteren van verbale WM na cerebellaire-tDCS demonstreren beschreven methoden.

De hier beschreven werkwijzen tonen hoe elektrische hersenstimulatie van het cerebellum cognitieve functies kan moduleren en de prestaties tijdens taken die een hoge mate van cognitieve belasting vereisen. Deze bevinding loopt parallel met de positieve effecten van het stimuleren van de DLPFC, die rekenkundige prestaties kunnen verbeteren over lange looptijden ² en faciliteren oplossing generatie voor moeilijke problemen, maar niet voor een eenvoudige ³ problemen. In feite kan tDCS dan prefrontale cortex te verbeteren in een verscheidenheid van cognitieve taken in gezonde vrijwilligers ^4,5, leidt onderzoekers elektrische hersenstimulatie gebruiken als een therapeutisch middel voor het behandelen van cognitieve gebreken bij patiënten na een beroerte ^48, en bij patiënten met de ziekte van Parkinson ^41. Inderdaad, toekomstige richtingen voor tDCS omvatten het gebruik ervan als een hulpmiddel voor het wijzigen van het gedrag van blijvende veranderingen in de hersenen het induceren. TDCS als een vorm van hersenstimulatie therapie is het ontdekken waard in patiëntenpopulaties voor de hand liggende redenen ^24.

In dit artikel, de meest kritische stappen voor een succesvolle modulatie van cognitie behulp tDCS zijn: 1) het afstemmen van task-moeilijkheidsgraad naar niveau van de prestatie van de deelnemers; 2) consistente en nauwkeurige plaatsing van de stimulatie-elektrode over het gewenste gebied in de hersenen; 3) het waarborgen van de tpet beide elektroden gedurende de stimulatie periode de stimulator het uitschakelen voorkomen vochtig gehouden (bevochtigen met extra zout indien nodig). Het is ook belangrijk om de deelnemers (het verminderen van angst) die sensaties gevoeld tijdens stimulatie verdwijnen na een paar seconden gerust te stellen - het verlaten van tDCS ongemerkt. Toekomstige wijzigingen kunnen onder het toedienen van tDCS tijdens de taakuitvoering (of dus het overlapt met gedrag) om on-line effecten te onderzoeken. Taakuitvoering zouden dan vergeleken worden tussen actieve en uitgangssituatie (dwz anodale vs. schijnvertoning en / of de kathodische versus sham), in plaats van de prestaties te vergelijken voor en na de stimulatie periode. De lange termijn effectiviteit van DC stimulatie ook waard vanuit behulp tDCS de symptomen van cognitieve disfunctie te verhelpen, alsmede paradigma dat robuuster kan opleveren. Dit kan protocollen die een opeenvolging van korte periodes stimulatie betrekken (in plaats van een enkele block), waarbij de volgende sessies van tDCS 'top-up' van de effecten van de vorige sessie. Het leveren van meerdere stimulatie sessies kunnen cumulatieve stijging van de prestaties, in plaats van minder veranderingen die langzamer ontwikkelen zich over een enkele sessie te produceren. Uitdagingen zoals deze en ook toekomstige richtingen voor klinisch onderzoek met tDCS zijn beoordeeld door Brunoni en collega's ^49.

Het potentieel voor het gebruik van tDCS als een therapeutisch hulpmiddel voor het herstel van de cognitieve symptomen van bepaalde ziekten zullen alleen ontstaan ​​wanneer de procedure beter werd begrepen en beheerst. Zo zijn de effecten van tDCS dan motorische cortex onlangs gevonden zeer variabel tussen individuen te zijn, en niet altijd de polariteit-specifieke ^22,23. Hetzelfde is ook gezegd effecten van tDCS in het cognitieve domein ^23. Er is nog een beperkt over gegevens met betrekking tot de neuro-versterkende effecten van tDCS in het algemeen. Maar het kan het geval ste zijnbij off-line effecten van tDCS over de kleine hersenen zijn het meest geschikt voor het verbeteren van het gedrag wanneer de deelnemers moeten volledig in te zetten met een moeilijke cognitieve taak, of wanneer ze de taak moeilijker uit te voeren, omdat het stelt hoge eisen aan WM en aandachtsprocessen middelen te vinden. Deze visie suggereert dat de effecten van cerebellaire-tDCS op cognitie taak- of belastingafhankelijke kunnen zijn: misschien gemedieerd door het verbeteren van cognitieve functies in delen van het cerebro-cerebellaire traject dat tijdens de stimulatie actief zijn. Deze interpretatie van onze gegevens parallellen goed met die van on-line effecten van tDCS op cognitie, die momenteel gedacht gevoelig voor de toestand van het actieve netwerk tijdens de periode van stimulatie ⁵⁰ zijn. TDCS mag niet leiden tot veranderingen in de prestaties als er voldoende cognitieve middelen die beschikbaar zijn om de taak goed uit te voeren, maar alleen wanneer het systeem is ingeschakeld, zodat het gebruikt meer middelen. Inderdaad, fMRI studies tonen aan hoe de neurale activiteit in een frontale-pariëtale netwerk is positively gecorreleerd met complexiteit toegenomen taak ^51.

Tot slot wordt in dit artikel beschreven een hersenstimulatie procedure die tDCS gebruikt om de kleine hersenen tijdens een reeks van informatie-verwerking taken te stimuleren met verschillende cognitieve belasting, waarbij de kathodische depressie van cerebellaire activiteit (en niet anodale excitatie) verbeterde prestaties tijdens attentionally veeleisend en moeilijk cognitieve taken. We gespeculeerd of dit kan worden bereikt door dis-remming van WM gebieden van de prefrontale cortex: het vrijgeven van extra cognitieve hulpbronnen wanneer bepaalde taken zijn moeilijk uit te voeren. Een beter begrip van individuele factoren die bepalen de doeltreffendheid van tDCS nu nodig dat hopelijk zal zijn van verdere studie, samen met verbeterde protocollen voor het leveren van elektrische hersenstimulatie bij gezonde en patiëntenpopulaties. Zo zou de toekomstige inspanningen worden begeleid naar het herstel van de cognitieve symptomen van bepaalde ziekten met behulp van transcraniële elektriCal hersenstimulatie als een cognitieve revalidatie hulpmiddel om cerebro-cerebellaire circuits moduleren.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Headset	Beyerdynamic	DT234 Pro	Ensure the microphone does not move from the participants mouth in between testing.
DC stimulator	Magstim	DC Stimulator Plus	Electrode placement is a critical success factor for tDCS efficacy
Stimulus presentation and recording software	www.neurobs.com	Presentation (Version 14.2)	Maintain participant-specific stimulus presentation rate between sessions in experiment one