Modulacja funkcji poznawczych za pomocą przezczaszkowej stymulacji móżdżku prądem stałym

Summary

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) nad móżdżkiem wywiera odległy wpływ na korę przedczołową, która może modulować funkcje poznawcze i wydajność. Zostało to zademonstrowane za pomocą dwóch zadań przetwarzania informacji o różnym stopniu złożoności, przy czym tylko katodowy tDCS poprawiał wydajność, gdy zadanie było trudne, ale nie łatwe.

Abstract

Ostatnio pojawiły się liczne badania, które pokazują możliwość modulowania, a w niektórych przypadkach wzmacniania procesów poznawczych poprzez pobudzanie obszarów mózgu odpowiedzialnych za pamięć roboczą i uwagę za pomocą przezczaszkowej elektrycznej stymulacji mózgu. Niektórzy badacze uważają obecnie, że móżdżek wspiera funkcje poznawcze, być może poprzez zdalny wpływ neuromodulacyjny na korę przedczołową. W artykule opisano procedurę badania roli móżdżku w funkcjach poznawczych za pomocą przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) oraz wybór zadań przetwarzania informacji o różnym stopniu trudności, które, jak wykazano wcześniej, obejmują pamięć roboczą, uwagę i funkcjonowanie móżdżku. Jedno zadanie nazywa się Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT), a drugie jest nowym wariantem tego zadania zwanym Paced Auditory Serial Subtraction Task (PASST). Zbadano również zadanie generowania czasowników i jego dwie kontrole (czytanie rzeczowników i czasowników). Wszystkie pięć zadań zostało wykonanych przez trzy oddzielne grupy uczestników, przed i po modulacji łączności korowo-móżdżkowej za pomocą anodowego, katodowego lub pozorowanego tDCS nad prawą korą móżdżku. Procedura pokazuje, w jaki sposób wydajność (dokładność, opóźnienie i zmienność odpowiedzi werbalnej) może zostać selektywnie poprawiona po stymulacji katodowej, ale tylko podczas zadań, które uczestnicy ocenili jako trudne, a nie łatwe. Wydajność pozostała niezmieniona przez stymulację anodową lub pozorowaną. Odkrycia te wskazują na rolę móżdżku w funkcjach poznawczych, przy czym aktywność lewej kory przedczołowej jest prawdopodobnie hamowana przez katodowy tDCS nad prawą korą móżdżku. Przezczaszkowa stymulacja mózgu zyskuje na popularności w różnych laboratoriach i klinikach. Jednak skutki uboczne tDCS są niespójne u poszczególnych osób i nie zawsze specyficzne dla polaryzacji, a nawet mogą być zależne od zadania lub obciążenia, z których wszystkie wymagają dalszych badań. Przyszłe wysiłki mogą być również ukierunkowane na poprawę neuroterapii u pacjentów z móżdżkiem z upośledzeniem funkcji poznawczych, gdy pojawi się lepsze zrozumienie mechanizmów stymulacji mózgu.

Introduction

Elektryczność jest używana w medycynie od ponad 100 lat. Obecnie stymulacja mózgu staje się coraz częściej stosowana w różnych laboratoriach i klinikach jako narzędzie badawcze do testowania hipotez dotyczących tego, jak funkcje motoryczne i poznawcze są wykonywane przez mózg i móżdżek oraz jak połączenia między tymi dwoma regionami mózgu wspierają te funkcje. Jeśli chodzi o móżdżek, dzieje się tak częściowo dlatego, że boczne półkule móżdżku, które uważa się za zaangażowane w funkcje poznawcze (patrz poniżej), są dostępne dla przezczaszkowej stymulacji elektrycznej, są wrażliwe na działanie prądów polaryzujących, a także dlatego, że procedura jest stosunkowo niedroga i łatwa do wykonania u ludzi. Procedura stymulacji mózgu opisana w niniejszym artykule pokazuje, w jaki sposób procesy poznawcze, takie jak pamięć robocza i uwaga, mogą być ułatwione podczas zadań, które są "bardziej", a nie "mniej^{" wymagające} poznawczo1. Interpretacja tych wyników specyficznych dla zadania jest ściśle ograniczona przez zrozumienie fizjologii szlaku móżdżkowo-móżdżkowego. Efekty neuro-enhancement, nawet gdy zadania są trudne, obserwuje się również po elektrycznej stymulacji kory przedczołowej^2,3,4,5.

Móżdżek odgrywa ważną rolę w przewidywaniu, mierzeniu czasu i wykonywaniu ruchów⁶. Jednak różne kierunki badań sugerują obecnie, że móżdżek może wpływać na procesy poznawcze. Na przykład w dziedzinie anatomii liczne badania sugerują, że wzajemne połączenia między regionami kory przedczołowej a móżdżkiem (tj. szlakiem mózgowo-móżdżkowym) mogą wspierać funkcje poznawcze^{7,8,9,10,11,12}. W domenie klinicznej niektórzy pacjenci z uszkodzeniem określonych części tylnego móżdżku mają problemy intelektualne i emocjonalne, których objawy są konceptualizowane w hipotezie "dysmetrii myśli" i klinicznie określane jako "móżdżkowy zespół poznawczy afektywny (CCAS"), podczas gdy ci z uszkodzeniem przedniej części móżdżku mają zaburzenia motoryczne (np. ataksja) i konceptualizowane jako "dysmetria ruchu"^13,14,15. W dziedzinie obrazowania mózgu Schmahmann i współpracownicy^16,17 wykorzystali funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) i łączność funkcjonalną do mapowania specyficznych dla zadania obszarów móżdżku i połączeń, jakie te obszary tworzą z płatem przedczołowym podczas zadań motorycznych i poznawczych.

Zadania poznawcze przedstawione w tym badaniu zostały wybrane, ponieważ wcześniej wykazano, że aktywują one tak zwane niemotoryczne obszary móżdżku. Umożliwiły nam one również rozdzielenie komponentów zadań motorycznych i poznawczych, co osiągnięto poprzez różnicowanie poziomu funkcji poznawczych w stosunku do wymagań motorycznych, które są wymagane do ich prawidłowego wykonania, oraz interwencję procedury stymulacji mózgu, która, jak wykazano wcześniej, moduluje relacje między mózgiem a zachowaniem. Ostatnie próby modulowania funkcji i zachowania mózgu obejmowały wykorzystanie prądów polaryzujących na skórze głowy, zwanych przezczaszkową stymulacją prądem stałym (tDCS). W rzeczywistości klinicyści stymulują korę móżdżku za pomocą wszczepionych elektrod w populacjach pacjentów od lat siedemdziesiątych XX wieku, uzyskując zachęcające wyniki^{terapeutyczne18}. Obecnie okazuje się, że stymulacja mózgu w poprzek skóry głowy jest przydatna w badaniu relacji między mózgiem a zachowaniem u zdrowych uczestników.

TDCS u ludzi zwykle polega na dostarczaniu prądu stałego (DC) o niskim natężeniu (1-2 mA) w sposób ciągły przez parę elektrod nasączonych solą fizjologiczną przez 15-20 minut. Typowy montaż elektrod do stymulacji mózgu może polegać na umieszczeniu jednej elektrody (anodowej) na głowie (nad obszarem zainteresowania mózgu), a drugiej (katodowej) elektrodzie na policzku (głowowym) lub ramieniu (bezgłowiem) po przeciwnej stronie ciała. W przypadku stymulacji móżdżku, przepływ prądu śródmózgowego między dwiema elektrodami ma stosunkowo niewielkie funkcjonalne rozprzestrzenianie się na pobliskie obszary (np. korę wzrokową¹⁹) i uważa się, że pobudza lub depresję komórki Purkiniego w korze móżdżku²⁰, powodując zarówno zmiany neurofizjologiczne, jak i behawioralne. Rozprzestrzenianie się prądu i skutki móżdżku-tDCS u ludzi można wywnioskować z danych modelowych lub badań na zwierzętach oraz z pośredniego wpływu na korę ruchową. W dziedzinie motorycznej wykazano również, że efekty są specyficzne dla polaryzacji, o czym świadczą konsekwencje stymulacji móżdżku na pobudliwość kory ruchowej²⁰. Na przykład stymulacja anodowa ma na ogół działanie pobudzające i zwiększa produkcję komórek Purkinjego; zwiększenie hamowania szlaku ułatwiającego od jąder móżdżku do kory mózgowej, podczas gdy stymulacja katodowa na ogół ma odwrotny skutek, tj. odhamowanie kory mózgowej poprzez zmniejszenie hamowania jąder móżdżku przez komórki Purkinjego. Badania anatomiczne na naczelnych ujawniają, w jaki sposób komórki Purkinjego mogą wywierać napęd ułatwiający zarówno na obwody motoryczne, jak i poznawcze, poprzez przekaźnik synaptyczny w brzuszno-bocznym wzgórzu²¹. Jednak ostatnie badania tDCS na ludziach sugerują, że rozróżnienie anodowo-katodowe może nie być jednoznaczne. Na przykład, następstwa tDCS nad korą ruchową są bardzo zmienne u poszczególnych osób i nie zawsze są specyficzne dla polaryzacji²². Podobna krytyka jest również kierowana w stosunku do wyników w sferze poznawczej²³. Może to pomóc wyjaśnić, dlaczego wpływ na funkcje poznawcze jest trudniejszy do wykrycia i zinterpretowania niż bezpośredni wpływ móżdżku na obszary motoryczne z powodu hamowania móżdżku i mózgu (CBI²⁰). Takie obserwacje podkreślają potrzebę lepszego zrozumienia poszczególnych czynników, które decydują o skuteczności stymulacji mózgu, a także opracowania ulepszonych protokołów stymulacji mózgu.

Zmiany zarówno w funkcjach motorycznych, jak i poznawczych są fizjologicznie możliwe dzięki elektrycznej stymulacji szlaku móżdżkowo-wzgórzowo-korowego²⁴. Jeśli chodzi o funkcje poznawcze, odnotowano modulacyjny wpływ móżdżku-tDCS na werbalną pamięć roboczą^25,26. Obserwuje się również trwały wpływ na funkcje poznawcze ze stymulujących obszarów kory przedczołowej^2,3,4,5. Jednak fizjologiczne skutki stymulacji mózgu na neurony są różne w zależności od tego, czy zachowanie jest badane w trakcie (efekty on-line), czy po (efekty off-line) okresu stymulacji²⁷. Sugeruje się, że efekty on-line mogą obejmować zmiany w środowisku wewnątrzkomórkowym (np. stężenia jonów) i gradient elektrochemiczny (np. potencjały błonowe), podczas gdy efekty off-line mogą obejmować dłużej utrzymujące się zmiany w aktywności neuronalnej spowodowane zmienionymi procesami wewnątrzkomórkowymi (np. plastyczność receptora)²⁷. W niniejszym badaniu zbadano efekty off-line, w których tDCS jest stosowany pomiędzy dwiema sesjami testów poznawczych, a zachowanie jest porównywane między tymi dwiema sesjami.

Badanie roli móżdżku w poznaniu jest wspomagane przez wykorzystanie zadań, które wcześniej okazały się związane z funkcjonowaniem móżdżku. Jedno szczególne zadanie obejmuje rozumowanie arytmetyczne i podzielność uwagi i nazywa się Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT²⁸). Jest szeroko stosowany do oceny różnych funkcji poznawczych zarówno w populacjach zdrowych, jak i pacjentów. Test zazwyczaj polega na tym, że uczestnicy słuchają liczb prezentowanych co 3 sekundy i dodają liczbę, którą słyszą, do liczby, którą słyszeli wcześniej (zamiast podawać sumę bieżącą). Jest to trudne zadanie i wymaga wysokiego stopnia WM, uwagi i zdolności arytmetycznych. Obejmuje to również aktywność w mózgu i móżdżku związaną z tymi szczególnymi elementami zadania, jak ujawniono w PET²⁹ i MRI³⁰. Aby zadanie było trudniejsze poznawczo i wymagało uwagi (co potwierdzili inni w niedawnym badaniu³¹), pierwotne instrukcje zostały zmienione tak, że uczestnicy musieli odjąć liczbę, którą słyszeli, od liczby, którą słyszeli wcześniej. Nazywamy to nowe zadanie Paced Słuchowe Seryjne Odejmowanie (PASST¹) i jest ono trudniejsze do wykonania niż PARAT, o czym świadczą subiektywne oceny trudności zadania i znacznie dłuższe czasy reakcji¹. Obie wersje zadania zostały uwzględnione w taki sposób, że jedna z nich była trudniejsza poznawczo i wymagająca uwagi do wykonania niż druga, podczas gdy wymagania motoryczne (ukryte operacje mowy) były porównywalne między zadaniami. Jeśli móżdżek jest zaangażowany w procesy poznawcze, to zaburzenie jego funkcji za pomocą tDCS może zakłócać rolę tej struktury podczas wykonywania na PASST, ale niekoniecznie na PASAT.

Innym zadaniem często używanym do badania roli móżdżku podczas mowy i językowych aspektów poznania jest Zadanie Generowania Czasowników (VGT^{32,33,34,35,36,37}). Podobnie jak PASAT, jest szeroko stosowany do testowania werbalnej pamięci roboczej w populacjach zdrowych i pacjentów. Zasadniczo, VGT wymaga od uczestników wypowiedzenia na głos czasownika (np. jazdy) w odpowiedzi na wizualnie przedstawiony rzeczownik (np. samochód), w porównaniu z wydajnością w zadaniu kontrolnym, w którym uczestnicy czytają rzeczowniki na głos. Generowanie czasowników i czytanie rzeczowników ma podobne wymagania percepcyjne i motoryczne, ale różne wymagania werbalne WM (tj. większą analizę semantyczną). A większa aktywność w sieci mózgowo-móżdżkowej wiąże się z generowaniem czasowników w porównaniu z czytaniem rzeczowników^34,35,36. Słowa są również generowane szybciej (efekt torowania), gdy zadania są powtarzane przy użyciu tych samych słów (w losowej kolejności) w blokach, a aktywność móżdżku wzrasta, jak zaobserwowano w PET³³ i fMRI³⁷.

W tym artykule opisana jest procedura stosowania tDCS na móżdżku w celu zbadania roli tej struktury mózgu w poznaniu, wraz z dwoma zadaniami arytmetycznymi (eksperyment pierwszy) i trzema językowymi (eksperyment drugi) o różnym stopniu trudności, które trzy oddzielne grupy uczestników wykonywały przed i po okresie stymulacji. Postawiliśmy hipotezę, biorąc pod uwagę rolę móżdżku w poznaniu, że na wydajność w bardziej wymagających zadaniach (tj. PASST i generowanie czasowników) większy wpływ miałby tDCS (efekty off-line) niż wydajność w mniej wymagających zadaniach (PASAT i czytanie rzeczowników/czasowników).

Protocol

UWAGA: Wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę i badanie zostało zatwierdzone przez Komitet Etyki Uniwersytetu w Birmingham.

1. Poproś uczestnika o przeczytanie karty informacyjnej i wypełnienie kwestionariusza przesiewowego tDCS (Załącznik 1), a jeśli nie ma przeciwwskazań do wykonania tDCS, poproś go o podpisanie formularza zgody.

2. Wykonaj eksperyment pierwszy (zadania obliczeniowe) i eksperyment dwa (zadania językowe), jedno po drugim, w pseudo-losowej kolejności, przed (sesja pierwsza) i po (sesja druga) okres stymulacji w cichym pokoju, aby zmniejszyć rozproszenie uwagi i umożliwić dokładne rejestrowanie czasów reakcji słuchowych, które są obliczane off-line.

3. W eksperymencie pierwszym, przedstaw bodźce słuchowe (np. liczby) przez zestaw słuchawkowy (Tabela Materiałów/Sprzętu). W eksperymencie drugim zaprezentuj bodźce wzrokowe (tj. słowa) na ekranie komputera. W obu eksperymentach należy ustawić mikrofon zestawu słuchawkowego na podstawie amplitudy reakcji słuchowych uczestników.
UWAGA: Wszystkie zadania zostały skomputeryzowane i przeprowadzone na laptopie sterowanym przez oprogramowanie do prezentacji i rejestracji bodźców (Tabela Materiałów/Sprzętu).

4. Na koniec wyjaśnij uczestnikom cel badania (np. podsumowanie) i poproś ich, aby ocenili trudność każdego zadania w skali od 1 (łatwe) do 10 (trudne). Wyjaśnij również uczestnikom, aby nie brali udziału w innym eksperymencie stymulacji mózgu przez co najmniej 7 dni i aby skontaktowali się z eksperymentatorem, jeśli odczują jakiekolwiek negatywne skutki tDCS.

5. Eksperyment pierwszy (zadania obliczeniowe)

5.1) Wykonywanie zadania polegającego na stopniowym dodawaniu słuchowym

UWAGA: PASAT jest dostępny w wersji 3 sekundowej i 2 sekundowej.

1. Użyj 60 elementów, z których każdy znajduje się w wersjach 3 s i 2 s, odpowiednio dla zadania dodawania i odejmowania. Ponadto należy użyć pozycji na formularzu PASAT-A przed okresem stymulacji (sesja pierwsza), a elementów na formularzu PASAT-Form B po okresie stymulacji (sesja druga).
   UWAGA: Zrównoważ kolejność, w jakiej uczestnicy wykonują PASAT i PASST, tak aby wyniki w jednym zadaniu nie były przenoszone na drugie.
2. Posadź uczestnika przed ekranem komputera i wyjaśnij mu, że będzie słyszał serię liczb przez zestaw słuchawkowy i że będzie musiał dodać liczbę, którą słyszy, do liczby, którą słyszał bezpośrednio przed nią, a następnie wokalizować odpowiedź i kontynuować dodawanie liczby, którą słyszy, do poprzedniej (i nie podawać sumy bieżącej). Umieść mikrofon przed ustami uczestnika przed rozpoczęciem zadania.
3. Rozpocznij zadanie i poproś uczestnika o przeczytanie standardowych instrukcji, które są wyświetlane na ekranie komputera, które formalnie wyjaśniają, jak wykonać PASAT. Wykonaj zadanie, gdy uczestnik w pełni zrozumie instrukcje.
   UWAGA: Przedstawiono im również pisemny przykład. Te instrukcje są podobne do tych zawartych w oryginalnej wersji zadania.
4. Podczas zadania zapisz każdą odpowiedź na wydrukowanym arkuszu wyników (Załącznik 2) w celu późniejszej weryfikacji. Nie przyznawaj punktów, jeśli uczestnik udzieli nieprawidłowej odpowiedzi lub nie odpowie. Upewnij się, że bodźce są słyszalne, aby można było wykonać zadanie (alternatywnie zaprezentuj eksperyment przez głośniki) i zaznacz po kolei każdą poprawną odpowiedź.
5. Powiedz uczestnikom, aby nie mówili i/lub nie wykonywali ustnych obliczeń (lub używali palców do pomocy w wykonaniu) podczas zadania i aby na głos wypowiadali tylko odpowiedź.

5.2) Wykonywanie zadania z sekwencyjnym odejmowaniem słuchowym w tempie

1. Powiedz uczestnikom, że instrukcje dla zadania odejmowania (PASST) są takie same dla zadania dodawania (PASAT), z wyjątkiem tego, że tym razem muszą odjąć liczbę, którą słyszą, od liczby, którą usłyszeli bezpośrednio przed nim, a następnie wokalizować odpowiedź i kontynuować odejmowanie liczby, którą słyszą, od tej bezpośrednio przed nią (i nie podawać sumy bieżącej). Ponownie upewnij się, że mikrofon nie odsunął się od ust uczestnika.
2. Gdy uczestnik przeczyta instrukcje wyświetlane mu na ekranie komputera związane z zadaniem odejmowania i w pełni je zrozumie – wykonaj zadanie. Ponownie przypomnij uczestnikom, aby nie wykonywali obliczeń ustnie ani za pomocą palców.

5.3) Przeprowadzanie sesji treningowych (PASAT I PASST)

UWAGA: Każdy uczestnik przeprowadza sesję treningową przed wykonaniem każdego zadania w eksperymencie pierwszym, aby określić tempo, w jakim uczestnicy mogą wykonywać zadania w określonym limicie, aby uniknąć efektu sufitu. Osiągnij to, włączając 45 elementów podczas ćwiczeń (w przeciwieństwie do oryginalnych 10 elementów).

1. Wyjaśnij uczestnikowi, że zamierza wykonać PASAT i/lub PASST (w zależności od tego, które zadanie ma zostać wykonane jako pierwsze) zgodnie z powyższym opisem. Tylko podczas sesji treningowej zwiększ szybkość prezentacji elementów słuchowych, zmniejszając interwał między bodźcami o 300 ms po każdym bloku pięciu elementów, w zakresie 4,2-1,8 sekundy.
2. Podczas ćwiczenia zwróć uwagę na tempo prezentacji, które spowodowało, że uczestnik popełnił 3 kolejne błędy (ale pozwól mu dokończyć sesję ćwiczeniową) i użyj tempa poprzedzającego ten punkt odcięcia podczas zadania.
3. Wybierz częstotliwość prezentacji bodźca dla każdego uczestnika i utrzymuj tę szybkość między pierwszą a drugą sesją (tj. przed i po stymulacji). Daj uczestnikowi krótką przerwę między każdym zadaniem (około 30 sekund).

6. Doświadczenie drugie (zadania językowe)

6.1) Wykonywanie zadania generowania czasowników

UWAGA: Wykonaj czytanie rzeczownika, generowanie czasownika i zadanie czytania czasowników w tej kolejności (oddzielone krótką przerwą), aby słowa przedstawione w zadaniu czytania czasownika nie przygotowywały szybszej odpowiedzi w zadaniu generowania czasownika. Każde zadanie składa się z 3 słów ćwiczeniowych i 6 bloków po 10 prób.

1. Skonstruuj listę 40 konkretnych rzeczowników związanych z narzędziami/przedmiotami, którymi można manipulować rękami lub stopami, oraz 40 konkretnych czasowników związanych z czynnościami wykonywanymi za pomocą narzędzi/przedmiotów z niezależnej grupy uczestników, przy czym te same pary rzeczownik-czasownik są generowane przez ponad połowę grupy, jak w Pope i Miall¹. Unikaj par rzeczownik-czasownik, które generują te same odpowiedzi (np. obiad-jeść, jabłko-jeść) lub nie odnoszą się do ludzkich działań (np. pieczenie w piekarniku). Przedstaw połowę słów w sesji pierwszej, a drugą połowę w sesji drugiej.
2. Wyjaśnij uczestnikowi, że musi wypowiedzieć odpowiedni czasownik (np. prowadzić) w odpowiedzi na prezentowany rzeczownik (np. samochód). Wyjaśnij uczestnikom tę relację rzeczownik-czasownik na początku zadania.
3. Przedstaw słowa centralnie na ekranie komputera w innej losowej kolejności w blokach 1-5 (powtarzające się słowa) i zaprezentuj nowe słowa w bloku 6 (nowe słowa). Upewnij się, że każde słowo jest zastępowane następnym słowem, gdy mikrofon wykryje odpowiedź.
   UWAGA: Upewnij się, że listy słów w pierwszej i drugiej sesji są różne i równoważone między uczestnikami.
4. Rozpocznij zadanie i poproś uczestnika o przeczytanie standardowych instrukcji, które są prezentowane na ekranie komputera, które formalnie wyjaśniają, jak wykonać zadanie generowania czasowników.
5. Gdy uczestnik w pełni zrozumie zadanie, umieść mikrofon przed ustami i poinstruuj go, aby wypowiedział słowa, gdy tylko pojawią się na ekranie komputera.
6. Zapisz lub nagraj każdą odpowiedź wypowiedzianą na głos przez uczestnika w celu późniejszej weryfikacji. Zanotuj wszelkie błędy lub nieodebrane odpowiedzi.

6.2) Wykonywanie zadań związanych z czytaniem rzeczowników i czasowników

UWAGA: Przedstaw słowa w taki sam sposób, jak w zadaniu generowania czasowników. Uczestnicy czytają rzeczowniki w zadaniu czytania rzeczowników i czasowniki w zadaniu czytania czasowników.

1. W przypadku obu zadań związanych z czytaniem poinstruuj uczestnika, aby przeczytał na głos każde słowo, gdy tylko pojawi się ono na ekranie komputera.
2. Sprawdź, czy uczestnik poprawnie przeczytał każde słowo podczas obu zadań czytania, patrząc na ekran podczas czytania słów.
   UWAGA: Upewnij się, że pozycja mikrofonu nie przesunęła się z ust uczestnika między zadaniami.

7. Wykonywanie tDCS móżdżku

UWAGA: TDCS jest uważany za bezpieczny do stosowania u ludzi. Jednak badacz podający tDCS w tym badaniu był osobą udzielającą pierwszej pomocy. Wskazane jest, aby podczas wykonywania tDCS pod ręką był udzielany pierwszy pomocnik, aby zapewnić, że bezpieczeństwo uczestników nie zostanie naruszone, jeśli poczują się źle/omdleją podczas zabiegu. Nigdy nie pozostawiaj uczestnika bez opieki podczas podawania tDCS.

1. Zanurz wstępnie dwie elektrody gąbkowe (powierzchnia = 25 cm²) w standardowym 0,9% roztworze soli NaCl, aż zostaną nasycone.
2. Aby przeprowadzić stymulację pobudzającą (anodową) przez prawą korę móżdżku, umieść czerwoną elektrodę 1 cm poniżej i 4 cm na prawo od najbardziej widocznego występu kości potylicznej (wejścia).
   UWAGA: Ta boczna pozycja na skórze głowy jest zbliżona do położenia płata móżdżku VII.
3. Aby zakończyć montaż elektrody, umieść elektrodę referencyjną lub katodową (niebieską) na prawym ramieniu nad mięśniem naramiennym.
4. Aby zastosować stymulację hamującą (katodową), powtórz powyższą procedurę i ustaw dwie elektrody gąbkowe odwrotnie (tj. umieść niebieską elektrodę na głowie, a czerwoną elektrodę na ramieniu).
5. Aby podać pozorowany tDCS, należy dostarczyć pseudostymulację (np. 110 uA przez 15 ms, co 550 ms) przez 20 minut zamiast prądu stymulacji. Ustaw dwie elektrody tak samo jak powyżej, ale zrównoważ położenie czerwonych i niebieskich elektrod między uczestnikami grupy pozorowanej.
6. Przymocuj mokre elektrody mocno do głowy i ramienia za pomocą gumowych pasków lub samoprzylepnej folii. Połóż ręcznik papierowy na karku uczestnika, aby zetrzeć kapiący roztwór soli fizjologicznej.
   UWAGA: Sprawdź, czy zamierzone położenie elektrod nie przesunęło się po ich zabezpieczeniu. Aby zapewnić optymalne połączenie elektroda ze skórą, upewnij się, że elektrody są umieszczone płasko na skórze głowy, a nie na włosach.
7. Aby rozpocząć i zrównoważyć każdą interwencję stymulacyjną, odpowiednio zwiększ i zmniejsz prąd stały w sposób podobny do rampy w ciągu 10 sekund^38,39. Ustaw intensywność stymulacji na 2 mA i dostarczaj przez 20 minut za pomocą niezawodnego stymulatora prądu stałego regulowanego prądem (Tabela materiałów/wyposażenia).
   UWAGA: Intensywność ta jest podobna do tej stosowanej przez inne²⁵ i jest uważana za bezpieczny poziom narażenia⁴⁰, znacznie poniżej progu powodowania uszkodzenia tkanek⁴¹.
8. Powiedz uczestnikowi, aby odpoczął/zrelaksował się w okresie stymulacji i zniechęć go do korzystania z urządzeń elektronicznych, aby uniknąć wprowadzania zmiennych zakłócających, które mogą potencjalnie wpłynąć na wynik eksperymentu.
   UWAGA: Często zdarza się, że uczestnicy odczuwają łagodne swędzenie w jednym lub obu miejscach elektrod (i/lub metaliczny posmak w ustach), gdy zaczyna się prąd stymulacji. Zapewnij uczestników, że te odczucia znikają po kilku sekundach – pozostawiając tDCS niezauważonym.
9. Zastosuj stymulację anodową, katodową lub pozorowaną do trzech oddzielnych grup uczestników w pseudolosowej kolejności (między uczestnikami, niepowiązane próbki). Upewnij się, że ogólna liczba, płeć i średni wiek uczestników są porównywalne między grupami, tak jak w Pope i Miall¹.

8. Po stymulacji mózgu powtórz PASAT (kroki 5.1-5.1.5) i PASST (kroki 5.2-5.2.2) w kolejności przeciwwagi, a zadania czytania rzeczowników i czasowników (kroki 6.2-6.2.2) i zadanie generowania czasowników (kroki 6.1-6.1.6) w tej kolejności. Wykonaj pierwszy eksperyment (zadania obliczeniowe) i eksperyment drugi (zadania językowe) w kolejności pseudolosowej. Nie ćwicz żadnego z zadań po stymulacji mózgu.

UWAGA: W innych badaniach poznawczych, prawdziwa i pozorowana stymulacja została zastosowana do tej samej kohorty (wśród uczestników, powiązanych prób), oddzielonych czasem wypłukania wynoszącym co najmniej 5-7 dni^25,26. Jednak rozróżnienie stymulacji pozornej i rzeczywistej jest łatwiejsze przy wyższych natężeniach prądu⁴². Może to być problematyczne w projekcie wewnątrzuczestnikowym, ale nie w projekcie między uczestnikami, jak opisano tutaj.

Results

Analiza danych

W eksperymencie pierwszym, wyniki były analizowane pod względem liczby poprawnych odpowiedzi lub wyników dokładności (wyrażonych jako procent poprawności) oraz średniej i zmienności (odchylenie standardowe) czasów odpowiedzi werbalnych uczestników przy użyciu oddzielnych mieszanych ANOVA, zarówno dla zadań (PASAT vs. PASST), między sesjami (przed vs. po) i między grupami (anodowymi, katodowymi lub pozorowanymi). W eksperymencie drugim średnia i zmienność odpowiedzi werbalnych uczestników została przeanalizowana poprzez porównanie ich między pierwszym (Blok 1) i ostatnim (Blok 5) zestawem powtarzających się słów (całkowita ilość nauki) przy użyciu oddzielnych mieszanych ANOVA w ramach każdego zadania (generowanie czasowników vs. czytanie rzeczowników vs. czytanie czasowników), sesji (przed vs. po) i grupie (anodowe, katodowy lub pozorowany). Wyniki z błędnych odpowiedzi zostały wykluczone ze wszystkich analiz danych, wraz z odpowiedziami, które były przedłużone (przekraczające +2SD średniej) tylko w eksperymencie drugim.

Eksperyment pierwszy (zadania arytmetyczne)

Tempo prezentacji bodźców

Testy t dostosowane do wielokrotnych porównań potwierdziły, że wskaźniki prezentacji bodźców specyficznych dla uczestnika, ustalone podczas praktyki, nie różniły się znacząco między trzema grupami (grupy pozorowane, anodowe i katodowe, odpowiednio 2,56, 2,50 i 2,49 s, F_2,63 = 0,23 P = 0,79).

Wyniki dokładności

Liczba poprawnych odpowiedzi wzrosła w drugiej sesji (84,47 %) w porównaniu z pierwszą sesją (76,30 %), prawdopodobnie z powodu praktyki (Rysunek 1), ale bardziej po katodowej (77,50 vs 89,32 %), niż po anodowej (77,80 vs 82,80 %) lub pozorowanej (77,81 vs 80,91 %), co zostało potwierdzone przez interakcję Task x Session x Group, która była istotna z ANOVA (F_2,63 = 4,61, P <0,05).

Rycina 1: Wyniki dokładności przed i po tDCS móżdżku. Liczba prawidłowych odpowiedzi (średnia +1 SEM, n = 20) selektywnie poprawiła się po stymulacji katodowej od pierwszej sesji (przed stymulacją) do drugiej sesji (po stymulacji), znacznie bardziej w zadaniu odejmowania (PASST) niż w zadaniu dodawania (PASAT). Gwiazdki wykazują znaczące różnice (P <0,05), co ujawniono w skorygowanych porównaniach parami. Rysunek ten został zmodyfikowany w stosunku do Papieża i Mialla¹.

Czasy odpowiedzi werbalnych

Poprawne odpowiedzi były znacznie szybsze podczas PASAT niż podczas PASST (1372 vs. 1447 ms; F_1,57 = 11,70, P <0,001), a tym bardziej po tDCS (1446 vs. 1374 ms; F_1,57 = 36,43, P <0,001). Rzeczywiście, interakcja Task by Session by Group była prawie istotna (F_1,57 = 2,65, P = 0,08), przy czym czasy odpowiedzi podczas PASST zmniejszyły się bardziej po stymulacji katodowej (1509 vs. 1322 ms) niż po stymulacji anodowej (1491 vs. 1427 ms) lub pozorowanej (1504 vs. 1427 ms). Tendencja ta nie była widoczna podczas PASAT.

Zmienność czasu odpowiedzi

Spójność czasów odpowiedzi również znacznie się zmniejszyła między sesją pierwszą (386 ms) a drugą (354 ms; F_1,57 = 16,86, P <0,001), jak pokazano na rysunku 2b. Szczególnie interesująca była interakcja Zadanie x Sesja x Grupa (F_2,57 = 11,16, P <0,001). Wynik ten sugeruje, że zmienność czasu odpowiedzi podczas PASST zmniejszyła się bardziej po katodowaniu (403 vs 273 ms), niż po anodzie (418 vs 398 ms) lub pozorowaniu (396 vs 368 ms). Zmniejszenie zmienności czasu odpowiedzi było równe we wszystkich trzech grupach stymulacji podczas zadania dodawania.

Rysunek 2: (A) Średni czas reakcji werbalnej przed i po tDCS móżdżku. Średni czas reakcji werbalnej uczestników (średnia +1 SEM, n = 20) selektywnie poprawił się po stymulacji katodowej od pierwszej sesji (przed stymulacją) do drugiej sesji (po stymulacji), choć nie istotnie (P = 0,08) w zadaniu odejmowania niż w zadaniu dodawania. Rysunek ten został zmodyfikowany w stosunku do Papieża i Mialla¹. (B) Zmienność czasu odpowiedzi werbalnej przed i po tDCS móżdżku. Zmienność (odchylenie standardowe) czasów odpowiedzi werbalnej uczestników (średnia +1 SEM, n = 20) selektywnie poprawiła się znacznie po stymulacji katodowej między sesjami podczas odejmowania, ale nie podczas dodawania. Rysunek ten został zmodyfikowany w stosunku do Papieża i Mialla¹.

Eksperyment drugi (zadania językowe)

Średnia całkowita nauka

Efekt uczenia się między blokami 1-5 został obliczony dla każdego uczestnika i okazał się porównywalny podczas zadań czytania rzeczowników (0,03 sekundy) i czasowników (0,03 sekundy), ale większy podczas zadania generowania czasowników (0,20 sekundy [Zobacz Rysunek 3]), co ujawnił znaczący główny efekt zadania (F_2,56 = 67,17, P <0,001). Co ciekawe, znacząca interakcja Sesja x Zadanie x Grupa (F_4,114 = 2,44, P = 0,05) sugerowała, że tDCS selektywnie poprawiał uczenie się między sesjami w zadaniu generowania czasowników po katodowaniu (0,18 vs. 0,31 sekundy), ale nie po anodzie (0,18 vs. 0,17 sekundy) lub pozorowaniu (0,17 vs. 0,19 sekundy).

Rysunek 3: Średnia całkowita liczba uczenia się między powtarzającymi się blokami. Średnie odpowiedzi (średnia +1 SEM, n = 20) między blokami 1-5 były szybsze po tDCS podczas zadania generowania czasownika (VG) niż podczas zadań czytania rzeczowników (NR), czytania czasowników (VR). Gwiazdki wykazują znaczące różnice (P <0,05), co ujawniono w skorygowanych porównaniach parami. Rysunek ten został zmodyfikowany w stosunku do Papieża i Mialla¹.

Całkowita zmienność uczenia się

Spójność uczenia się między blokami 1-5 została również obliczona (Zobacz Rysunek 4) i stwierdzono, że jest selektywnie poprawiona podczas zadania generowania czasowników po katodowaniu (0,08 vs. 0,19 sekundy), ale nie po anodzie (0,08 vs. 0,08 sekundy) lub pozorowanej (0,08 vs. 0,06 sekundy) tDCS, co oznacza znaczącą interakcję Sesja x Zadanie x Grupa, (F_4,114 = 2,23 P <0,05).

Rysunek 4: Całkowita zmienność uczenia się między powtarzającymi się blokami. Zmienność odpowiedzi (średnia SD +1 SEM, n = 20) między blokami 1-5 była bardziej spójna po tDCS podczas zadania generowania czasownika (VG) niż podczas zadań czytania rzeczowników (NR), czytania czasowników (VR). Gwiazdki wykazują znaczące różnice (P <0,05), co ujawniono w skorygowanych porównaniach parami. Rysunek ten został zmodyfikowany w stosunku do Papieża i Mialla¹.

Discussion

TDCS stał się w ostatnich latach popularnym narzędziem do badania relacji między mózgiem a zachowaniem. W artykule opisano procedurę badania funkcji poznawczych móżdżku za pomocą tDCS oraz różnych testów arytmetycznych i językowych, które wymagają różnego stopnia pamięci roboczej i uwagi. Wyniki pierwszego eksperymentu pokazały, w jaki sposób stymulacja katodowa prawej półkuli móżdżku poprawiła dokładność zadania i zmienność odpowiedzi werbalnej (w stosunku do stymulacji anodowej i pozorowanej) podczas trudnego i wymagającego poznawczo zadania przetwarzania informacji obejmującego odejmowanie umysłowe (paced słuchowe szeregowe odejmowanie [PASST]), ale nie podczas prostszej i mniej wymagającej wersji obejmującej dodawanie umysłowe (paced słuchowe szeregowe dodawanie [PASAT]). Ponieważ oba te zadania mają podobną kontrolę motoryczną (tj. operacje werbalne), ale różne obciążenie poznawcze (tj. wysiłek umysłowy), spekulowaliśmy w naszym poprzednim badaniu¹ , że katodowa depresja prawej kory móżdżku może uwolnić dodatkowe zasoby poznawcze, gdy wymagania dotyczące zadań są wysokie. Oczekiwano, że katodowy tDCS spowoduje hiperpolaryzację móżdżku, obniży wydajność komórek Purkinjego i zmniejszy hamowanie móżdżkowo-mózgowe (CBI²⁰). Pogląd ten jest wspierany przez odkrycie, że funkcjonalna łączność między móżdżkiem a korą przedczołową (tj. szlakiem móżdżkowo-wzgórzowo-korowym¹⁰) podczas arytmetyki jest wrażliwa na zadania i trudności⁴³. Wyniki pierwszego doświadczenia nie mogą być wyjaśnione żadną zmianą w udziale móżdżku w kontroli motorycznej, ponieważ są one porównywalne w PASAT i PASST, ale procesy umysłowe wymagane do wykonania odejmowania i dodawania są różne. Wyniki tego eksperymentu sugerują natomiast, że wpływ móżdżku-tDCS na funkcje poznawcze jest prawdopodobnie zależny od zadania lub obciążenia. W drugim eksperymencie stymulacja katodowa również selektywnie poprawiła wydajność zadania podczas protokołu językowego, tak że odpowiedzi stawały się szybsze i były bardziej spójne w czasie w pięciu kolejnych blokach prób, w których uczestnicy generowali czasowniki w odpowiedzi na wizualnie prezentowane rzeczowniki. Ten efekt torowania uzupełnił wyniki pierwszego eksperymentu, a także odkrycia innych pokazujących, w jaki sposób anodowy tDCS nad lewą grzbietowo-boczną korą przedczołową (DLPFC) może poprawić płynność werbalną⁴⁰ i opóźnienia nazywania obrazów^41,44 – wspierając hipotezę, że te same wzorce ułatwiania można zaobserwować po katodowym tDCS nad prawą półkulą móżdżku (jak zaobserwowano w eksperymencie drugim). Podsumowując, odkrycia te potwierdzają rolę móżdżku – choć pośrednią – w języku, uczeniu się i pamięci⁴⁵, co dodatkowo potwierdza tezę, że móżdżek może wpływać na procesy poznawcze w korze przedczołowej: głównym miejscu wielu operacji pamięci roboczej (WM).

Ulepszenia poznawcze są fizjologicznie prawdopodobne, ponieważ móżdżek wywiera odległy wpływ na pobudliwość w DLPFC, poprzez pobudzenie szlaku mózgowo-móżdżkowego. Dalsze dowody na sprzężenie między móżdżkiem a korą przedczołową opisano w pracy Hamady i współpracowników, przy czym zaobserwowano, że plastyczność asocjacyjna indukowana przez bodźce czuciowe / motoryczne sparowane w 25 ms – sparowana stymulacja asocjacyjna (PAS) jest blokowana przez móżdżek tDCS⁴⁶. Wykazano, że codzienne sesje przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) nad móżdżkiem poprawiają kontrolę postawy i chodzenie oraz dwuzadaniowość u pacjenta z zanikiem móżdżku⁴⁷. Ta poprawa motoryczna i poznawcza charakteryzowała się wzrostem motorycznych potencjałów wywołanych indukowaną stymulacją kory ruchowej, gdy móżdżek był również wzbudzony kilka milisekund wcześniej (badane za pomocą TMS z podwójną cewką, sparowanym impulsem), z powodu zmniejszonego hamowania móżdżkowo-mózgowego (CBI), które trwało 6 miesięcy po leczeniu. Farzan i współpracownicy^przypisali poprawę funkcji poznawczych konsekwencji poprawy funkcji motorycznych i uwolnienia zasobów do wykonania podwójnego zadania. Zmniejszenie CBI indukowane przez TMS może również bezpośrednio poprawić funkcję kory przedczołowej, poprzez pobudzanie obwodów mózgowo-móżdżkowych – poprawiając zdolności poznawcze. To ostatnie wyjaśnienie jest zgodne z tym, które zaobserwowano przy użyciu metod opisanych w niniejszym artykule, które pokazują procedurę selektywnej poprawy werbalnego WM po móżdżku-tDCS.

Opisane tutaj metody pokazują, w jaki sposób elektryczna stymulacja mózgu móżdżku może modulować funkcje poznawcze i zwiększać wydajność podczas zadań wymagających wysokiego poziomu obciążenia poznawczego. Odkrycie to jest zbieżne z pozytywnymi efektami stymulacji DLPFC, która może poprawić wydajność arytmetyczną w długim czasie² i ułatwić generowanie rozwiązań dla trudnych problemów, ale nie dla łatwych problemów³. W rzeczywistości tDCS nad korą przedczołową może zwiększyć wydajność w różnych zadaniach poznawczych u zdrowych uczestników^4,5, co skłoniło naukowców do zastosowania elektrycznej stymulacji mózgu jako narzędzia terapeutycznego w leczeniu deficytów poznawczych u pacjentów po udarze⁴⁸ i u pacjentów z chorobą Parkinsona⁴¹. Rzeczywiście, przyszłe kierunki rozwoju tDCS obejmują jego zastosowanie jako narzędzia do modyfikowania zachowania poprzez wywoływanie trwałych zmian w mózgu. TDCS jako forma terapii stymulacji mózgu jest warta zbadania w populacjach pacjentów z oczywistych powodów²⁴.

W tym artykule najważniejsze kroki dla skutecznej modulacji funkcji poznawczych za pomocą tDCS to: 1) dostosowanie trudności zadania do poziomu wydajności uczestników; 2) konsekwentne i dokładne umieszczanie elektrody stymulacyjnej nad pożądanym obszarem mózgu; 3) upewnienie się, że obie elektrody są wilgotne przez cały okres stymulacji, aby zapobiec wyłączeniu stymulatora (w razie potrzeby zwilżyć dodatkową solą fizjologiczną). Ważne jest również, aby uspokoić uczestników (zmniejszając niepokój), że odczucia odczuwane podczas stymulacji znikają po kilku sekundach – pozostawiając tDCS niezauważonym. Przyszłe modyfikacje mogą obejmować podawanie tDCS podczas wykonywania zadania (lub tak, jak pokrywa się to z zachowaniem) w celu zbadania efektów on-line. Wydajność zadania byłaby następnie porównywana między warunkami aktywnymi i wyjściowymi (tj. anoda kontra pozorowana i/lub katoda kontra pozorowana), a nie porównywana wydajność przed i po okresie stymulacji. Długoterminowa skuteczność stymulacji DC jest również warta zbadania z perspektywy wykorzystania tDCS do zaradzenia objawom dysfunkcji poznawczych, wraz z paradygmatami, które mogą przynieść bardziej silne efekty. Może to obejmować protokoły, które zapewniają następujące po sobie krótkie okresy stymulacji (a nie pojedynczy blok), przy czym kolejne sesje tDCS "uzupełniają" efekty z poprzedniej sesji. Przeprowadzanie wielu sesji stymulacji może powodować skumulowany wzrost wydajności, a nie mniejsze zmiany, które rozwijają się wolniej w ciągu jednej sesji. Wyzwania takie jak te, a także przyszłe kierunki badań klinicznych z tDCS zostały przeanalizowane przez Brunoniego i współpracowników⁴⁹.

Potencjał wykorzystania tDCS jako narzędzia terapeutycznego do łagodzenia objawów poznawczych niektórych chorób pojawi się dopiero wtedy, gdy procedura zostanie lepiej zrozumiana i opanowana. Na przykład ostatnio stwierdzono, że wpływ tDCS na korę ruchową jest bardzo zmienny u różnych osób i nie zawsze zależy od polaryzacji^22,23. To samo zostało również powiedziane o skutkach tDCS w sferze poznawczej²³. Nadal istnieje ograniczona liczba danych dotyczących ogólnego wpływu tDCS na neuro-wzmacniające działanie. Może się jednak zdarzyć, że wpływ tDCS na móżdżek w trybie off-line jest najbardziej zdolny do poprawy zachowania, gdy uczestnicy muszą w pełni zaangażować się w trudne zadanie poznawcze lub gdy zadanie jest dla nich trudne do wykonania, ponieważ stawia wysokie wymagania wobec WM i zasobów uwagi. Pogląd ten sugeruje, że wpływ móżdżku-tDCS na funkcje poznawcze może być zależny od zadania lub obciążenia: być może pośredniczy w nim poprawa funkcji poznawczych w częściach szlaku mózgowo-móżdżkowego, które są aktywne podczas stymulacji. Ta interpretacja naszych danych jest dobrze zbieżna z interpretacją wpływu tDCS on-line na funkcje poznawcze, które obecnie uważa się za wrażliwe na stan aktywnej sieci w czasie stymulacji⁵⁰. TDCS może nie prowadzić do zmian w wydajności, jeśli dostępne są wystarczające zasoby poznawcze do dobrego wykonania zadania, ale tylko wtedy, gdy system jest zaangażowany tak, aby zużywał więcej zasobów. Rzeczywiście, badania fMRI pokazują, w jaki sposób aktywność neuronalna w sieci czołowo-ciemieniowej jest dodatnio skorelowana ze zwiększoną złożonością zadań⁵¹.

Podsumowując, w artykule tym opisano procedurę stymulacji mózgu, w której wykorzystano tDCS do stymulacji móżdżku podczas serii zadań przetwarzania informacji o różnym obciążeniu poznawczym, w których katodowe obniżenie aktywności móżdżku (a nie wzbudzenie anodowe) poprawiło wydajność podczas wymagających uwagi i trudnych zadań poznawczych. Zastanawialiśmy się, czy można to osiągnąć poprzez odhamowanie obszarów WM kory przedczołowej: uwolnienie dodatkowych zasobów poznawczych, gdy pewne zadania są trudne do wykonania. Obecnie potrzebne jest lepsze zrozumienie poszczególnych czynników, które decydują o skuteczności tDCS, które, miejmy nadzieję, wyłonią się z dalszych badań, wraz z ulepszonymi protokołami dostarczania elektrycznej stymulacji mózgu w populacjach zdrowych i pacjentów. W związku z tym przyszłe wysiłki mogą być ukierunkowane na zaradzenie objawom poznawczym niektórych chorób za pomocą przezczaszkowej elektrycznej stymulacji mózgu jako narzędzia rehabilitacji poznawczej do modulacji obwodów mózgowo-móżdżkowych.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Zestaw słuchawkowy	Beyerdynamic	DT234 Pro	Upewnij się, że mikrofon nie przesuwa się z ust uczestnika między testami.
Stymulator prądu stałego	Magstim	Stymulator prądu stałego Plus	Umieszczenie elektrod jest krytycznym czynnikiem sukcesu dla skuteczności tDCS
Oprogramowanie do prezentacji i rejestracji bodźców	www.neurobs.com	Prezentacja (wersja 14.2)	Utrzymuj tempo prezentacji bodźców specyficznych dla uczestnika między sesjami w eksperymencie pierwszym