Artykuł metodologiczny

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) w celu poprawy pamięci

18.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/62681

⸱

18 września 2021

 ,  , 
1Institute for Medical Research, Human Neuroscience Group, University of Belgrade, 2Faculty of Philosophy, Institute of Psychology, University of Belgrade

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół poprawy pamięci za pomocą przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) ukierunkowanej na grzbietowo-boczne kory przedczołowej i tylnej kory ciemieniowej, jako główne węzły korowe w sieci hipokampowo-korowej. Protokół został dobrze oceniony w badaniach z udziałem zdrowych uczestników i ma również zastosowanie w badaniach nad starzeniem się i demencją.

Streszczenie

Poprawa pamięci jest jednym z największych wyzwań w neuronauce kognitywnej i neurorehabilitacji. Wśród różnych technik stosowanych do poprawy pamięci, przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) staje się szczególnie obiecującym narzędziem do poprawy funkcji pamięci w sposób nieinwazyjny. W tym miejscu przedstawiamy protokół tDCS, który można zastosować do poprawy pamięci w badaniach z udziałem zdrowych uczestników, a także w badaniach nad starzeniem się i demencją. Protokół wykorzystuje słaby stały prąd anodowy do stymulacji celów korowych w sieci funkcjonalnej korowo-hipokampowej zaangażowanej w procesy pamięciowe. Elektrodę docelową umieszcza się albo w tylnej korze ciemieniowej (PPC), albo w grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (DLPFC), podczas gdy elektrodę powrotną umieszcza się poza czaszką (tj. na przeciwległym policzku). Ponadto przedstawiamy bardziej zaawansowaną metodę oscylacyjnego tDCS, naśladującą naturalny rytm mózgu w celu promowania funkcji pamięci zależnych od hipokampa, które można zastosować w sposób spersonalizowany i niespersonalizowany. Przedstawiono poglądowe wyniki poprawy pamięci asocjacyjnej i operacyjnej po pojedynczych sesjach tDCS (20 minut), w których zastosowano opisane montaże elektrod o natężeniu prądu od 1,5 mA do 1,8 mA. Na koniec omawiamy kluczowe kroki w protokole i decyzje metodologiczne, które należy podjąć podczas projektowania badania tDCS dotyczącego pamięci.

Wprowadzenie

Pamięć odgrywa istotną rolę w codziennym funkcjonowaniu, ponieważ umożliwia zapamiętywanie informacji o ludziach i miejscach, przypominanie sobie przeszłych wydarzeń, poznawanie nowych faktów i umiejętności, a także dokonywanie osądów i decyzji. Tutaj skupiamy się na dwóch rodzajach pamięci - pamięci roboczej (WM) i pamięci asocjacyjnej (AM). WM daje nam możliwość tymczasowego utrzymywania i przechowywania informacji do ciągłego przetwarzania poznawczego1, podczas gdy AM umożliwia nam zapamiętywanie wielu fragmentów doświadczenia lub informacji powiązanych ze sobą. Dlatego te dwa rodzaje pamięci podkreślają prawie wszystkie codzienne czynności. Niestety, pamięć jest jedną z najbardziej wrażliwych funkcji, ponieważ pogarsza się wraz z normalnym starzeniem się, a także z powodu różnych stanów i stanów patologicznych. Zarówno spadek WM, jak i AM jest widoczny w łagodnych zaburzeniach poznawczych2,3 i dementia4,5, a także w normalnym starzeniu się6,7. Ponieważ deficyty pamięci są związane z wysokim poziomem obciążenia chorobą8,9 i znacząco wpływają na jakość życia10,11,12,13, rośnie zapotrzebowanie na nowatorskie podejścia do zapobiegania i leczenia pogorszenia pamięci.

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) jest obiecującym narzędziem do walki ze spadkiem pamięci14,15,16 i lepsze zrozumienie funkcji mózgu w ogóle17. tDCS to nieinwazyjna technika stymulacji mózgu, która wykorzystuje słabe prądy elektryczne (zwykle od 1 mA do 2 mA) do modulowania aktywności mózgu poprzez wpływ na pobudliwość błony neuronalnej. Efekty tDCS są zależne od polaryzacji, tak że stymulacja anodowa wzrasta, podczas gdy katodowa zmniejsza pobudliwość neuronów. Mianowicie, anodowy tDCS zwiększa prawdopodobieństwo wyzwolenia potencjałów czynnościowych poprzez depolaryzację błon neuronalnych, ułatwiając w ten sposób spontaniczną aktywność mózgu pod anode18. Ponadto wykazano, że efekt zwiększonej aktywacji nie pozostaje zlokalizowany, ale ma tendencję do rozprzestrzeniania się na inne funkcjonalnie połączone obszary ośrodkowego układu nerwowego. Oczekuje się zatem, że anodowy tDCS będzie promował funkcje poznawcze, które opierają się na docelowych regionach mózgu i funkcjonalnie połączonych obszarach mózgu, podczas gdy oczekuje się, że katodowy tDCS będzie miał odwrotny skutek.

tDCS ma kilka zalet w porównaniu z innymi technikami stymulacji mózgu: (1) tDCS jest bezpieczny, tzn. nie stanowi zagrożenia dla zdrowia i nie powoduje żadnych negatywnych krótko- lub długoterminowych zmian strukturalnych lub funkcjonalnych19; (2) tDCS charakteryzuje się najwyższą tolerancją wśród technik stymulacji mózgu, ponieważ powoduje minimalny dyskomfort u uczestników w postaci łagodnego mrowienia i swędzenia pod elektrodami stymulującymi20; (3) tDCS jest opłacalny - cena urządzeń i aplikacji tDCS jest od dziesięciu do stu razy niższa niż w przypadku innych opcji leczenia, co czyni go atrakcyjnym dla pacjentów i systemu opieki zdrowotnej; (4) tDCS jest łatwy w użyciu, a zatem ma duży potencjał do stosowania nawet w warunkach domowych, co może prowadzić do większej zgodności pacjentów i zmniejszenia kosztów ponoszonych przez personel medyczny i placówki medyczne.

Głównym wyzwaniem dla wykorzystania tDCS do poprawy pamięci jest znalezienie optymalnego protokołu montażu elektrod i stymulacji, który zapewni niezawodne efekty na pamięć. Tutaj używamy terminu montaż elektrod w odniesieniu do konfiguracji i położenia elektrod (tj. Umiejscowienia elektrody docelowej i referencyjnej (powrotnej). Ze względu na charakter pól elektrycznych, elektroda referencyjna (powrotna) nie jest neutralna - ma biegunowość przeciwną do elektrody docelowej - a zatem może również wywierać biologiczne (neuromodulacyjne) działanie na leżącą poniżej tkankę nerwową. Dlatego staranny dobór elektrody referencyjnej jest niezbędny, aby uniknąć niepożądanych dodatkowych efektów stymulacji.

Używając terminu protokół stymulacji, odnosimy się do parametrów tDCS, takich jak czas trwania i intensywność prądu, który jest stosowany, a także sposób, w jaki intensywność prądu zmienia się w czasie (tj. czy intensywność jest stała przez cały czas stymulacji, czy zmienia się zgodnie z sinusoidalnym kształtem fali o określonej amplitudzie i częstotliwości). Różne protokoły stymulacji mogą być stosowane przy użyciu tego samego montażu elektrod i ten sam protokół może być używany w różnych montażach.

Aby zoptymalizować montaż elektrod, przyglądamy się obszarom mózgu związanym z funkcjonowaniem i temu, jak pola elektryczne wywołane różnymi pozycjami elektrod wpłynęłyby na te obszary mózgu, a co za tym idzie, na funkcje poznawcze. Kilka różnych struktur korowych i podkorowych odgrywa znaczącą rolę w funkcjach pamięci - w tym obszary kory czołowej, skroniowej i ciemieniowej. Mianowicie, WM jest wspierany przez rozległą sieć neuronową, która obejmuje grzbietowo-boczną (DLPFC) i brzuszną boczną korę przedczołową (VLPFC), przedruchową i dodatkową korę ruchową, a także tylną korę ciemieniową (PPC)21. Dla AM i pamięci epizodycznej w ogóle, struktury w obrębie przyśrodkowego płata skroniowego są niezbędne22. Jednak obszary asocjacyjne kory ciemieniowej, czołowej i skroniowej, z ich zbieżnymi ścieżkami do hipokampa, również odgrywają znaczącą rolę. Ze względu na swoje anatomiczne położenie, hipokamp nie może być bezpośrednio stymulowany za pomocą tDCS, a zatem wzmocnienie funkcji pamięci zależnych od hipokampa odbywa się za pomocą celów korowych o wysokiej funkcjonalnej łączności z hipokampem, takich jak tylna kora ciemieniowa. Z tych powodów DLPFC i PPC są najczęściej używane jako cele stymulacji w celu poprawy pamięci. Pozycjonowanie elektrod można jeszcze bardziej udoskonalić w oparciu o modelowanie przepływu prądu23 i zwalidować w badaniach, które łączą tDCS z technikami neuroobrazowania24.

Najczęstszym protokołem stymulacji jest stały prąd anodowy 1-2 mA, który trwa od 10 do 30 minut. Zakłada się, że mechanizm stojący za tym protokołem polega na tym, że elektroda z dodatnim ładunkiem zwiększy pobudliwość leżącej pod spodem tkanki korowej, co z kolei spowoduje poprawę późniejszej wydajności pamięci. W przeciwieństwie do stałego anodowego tDCS, gdzie natężenie prądu pozostaje takie samo przez cały okres stymulacji, w oscylacyjnym protokole tDCS natężenie prądu waha się z zadaną częstotliwością wokół ustalonej wartości. Dlatego ten rodzaj protokołu moduluje nie tylko pobudliwość, ale także porywa oscylacje neuronalne odpowiednich obszarów mózgu. Ważne jest, aby pamiętać, że zarówno w przypadku stałego, jak i oscylacyjnego tDCS elektrody zachowują tę samą polaryzację prądu przez cały czas trwania stymulacji.

Tutaj prezentujemy montaże tDCS, które celują w węzły w sieci czołowo-ciemieniowo-hipokampowej w celu promowania pamięci - zarówno WM, jak i AM: w szczególności dwa montaże elektrod z elektrodą docelową nad lewym/prawym DLPFC lub lewym/prawym PPC. Oprócz stałego protokołu tDCS z anodą przedstawiamy protokół oscylacyjny theta tDCS.

Projekt badania
Zanim przedstawimy szczegółowy przewodnik na temat wykorzystania tDCS do poprawy pamięci, przedstawimy kilka podstawowych właściwości projektu eksperymentalnego, które należy wziąć pod uwagę podczas planowania badania tDCS nad pamięcią.

Kontrola pozorna
Aby ocenić wpływ tDCS na pamięć, badanie musi być kontrolowane pozorowano. Oznacza to, że w jednym z warunków eksperymentalnych protokół przypomina prawdziwą sesję stymulacji, ale nie stosuje się leczenia. Ta fałszywa lub pozorowana sesja służy jako punkt odniesienia do porównania wydajności po prawdziwym tDCS i wyciągnięcia wniosków na temat jego skuteczności. Zwykle w protokole pozorowanym prąd jest stosowany tylko przez krótki okres - zwykle do 60 sekund na początku i na końcu pozorowanej stymulacji jako wzrost, po którym następuje natychmiastowe zmniejszanie (tj. pojawianie się/zanikanie, do 30 sekund każdy). W ten sposób zapewnia się, że czas trwania stymulacji jest niewystarczający do wywołania jakichkolwiek efektów behawioralnych lub fizjologicznych. Ponieważ miejscowe odczucia skórne/skóry głowy są zwykle najbardziej wyraźne na początku i na końcu stymulacji (ze względu na zmiany intensywności prądu), odczucia wywołane we wszystkich protokołach są porównywalne i trudne do odróżnienia25. W ten sposób uczestnik jest zaślepiony na to, czy stymulacja jest prawdziwa, czy nie, co jest szczególnie ważne w projektach wewnątrzobiektowych.

Oprócz kontroli pozorowanej, aby ocenić specyficzność efektów protokołów oscylacyjnych, zaleca się również posiadanie aktywnego warunku kontroli. Na przykład, aktywną kontrolą protokołu oscylacyjnego może być stała stymulacja anodowa o tej samej intensywności26,27, lub stymulacja oscylacyjna o różnej częstotliwości, np. theta vs gamma28.

Projektowanie wewnątrz- lub międzyprzedmiotowe.
W projektowaniu wewnątrzobiektowym każdy uczestnik przechodzi zarówno rzeczywisty, jak i pozorowany tDCS, podczas gdy w projektowaniu międzyobiektowym jedna grupa uczestników otrzymuje rzeczywisty, a druga grupa otrzymuje pozorowany tDCS. Główną zaletą projektowania wewnątrzobiektowego jest lepsza kontrola zakłóceń specyficznych dla danego obiektu. Oznacza to, że indywidualne różnice w anatomii i zdolnościach poznawczych są najlepiej kontrolowane, gdy każdy uczestnik jest porównywany ze sobą. Jednakże, ponieważ projektowanie wewnątrzobiektowe musi być stosowane w sposób krzyżowy (tj. połowa uczestników otrzymuje prawdziwy tDCS w pierwszej sesji i pozorowany w drugiej sesji, podczas gdy druga połowa uczestników otrzymuje najpierw pozorowany, a prawdziwy tDCS w drugiej), ten projekt może nie być optymalny dla badań klinicznych i szkoleniowych, a także badań obejmujących kilka sesji tDCS w ciągu kolejnych dni. Ponieważ konstrukcja zwrotnicy może powodować nierówne linie bazowe między ramionami zwrotnicy. W związku z tym projektowanie wewnątrzobiektowe najlepiej sprawdza się przy ocenie behawioralnych lub fizjologicznych skutków pojedynczej sesji tDCS oraz gdy nierówne wartości wyjściowe nie są uważane za problem dla hipotezy badawczej. W projektowaniu wewnątrzobiektowym oceniającym efekty pojedynczej sesji tDCS dobrą praktyką jest zachowanie 7 dni między rzeczywistą a pozorowaną sesją tDCS, aby uniknąć efektów przeniesienia (jednak niektóre badania sugerują, że nawet krótsze okresy wymywania nie wpływają znacząco na wyniki29,30) oraz używanie równoległych form zadań pamięciowych w przeciwstawnej kolejności, aby zminimalizować efekty treningu i uczenia się między sesjami.

Gdy stosowany jest projekt międzyobiektowy, grupa kontrolna powinna być starannie dobrana pod kątem wyjściowej wydajności, jak również innych istotnych cech, o których wiadomo, że mają znaczenie dla skuteczności tDCS. Losowy przydział grup może nie być najlepszym podejściem w przypadku małych wielkości prób (np. <100), ponieważ może prowadzić do nieoptymalnego dopasowania. W obu przypadkach wyniki wyjściowe powinny być uwzględniane w analizie statystycznej.

Wielkość próby.
Jednym z najczęściej zadawanych pytań jest "ilu uczestników potrzeba, aby wykryć efekty tDCS". Odpowiedź na to pytanie zależy od kilku aspektów badania, w tym projektu eksperymentu, oczekiwanych rozmiarów efektów, rodzaju analizy statystycznej itp. Wielkość próby w eksperymentach ze stymulacją mózgu jest często zbyt mała i szacuje się, że badania w tej dziedzinie pomijają około 50% prawdziwie pozytywnych wyników, ponieważ są zbyt słabe31. Analiza mocy umożliwia określenie odpowiedniej wielkości próby dla każdego konkretnego eksperymentu w oparciu o projekt badania i oczekiwaną wielkość efektu dla planowanej analizy statystycznej. Analiza mocy może być przeprowadzona w środowisku R lub za pomocą darmowego specjalistycznego oprogramowania, takiego jak G*Power32, i zawsze powinna być wykonywana a priori (tj. przed eksperymentem). Moc powinna być ustawiona na >,80 (najlepiej 0,95), a oczekiwany rozmiar efektu na zadania pamięci po pojedynczej sesji tDCS wynosi zwykle między 0,15-0,20 (η2), tj. Cohen f 0,42-0,50. W związku z tym zazwyczaj należy zapisać łącznie 20-30 uczestników na eksperyment wewnątrzobiektowy i 30-40 uczestników na grupę na badanie międzyprzedmiotowe, aby osiągnąć zadowalającą moc, a tym samym zmniejszyć błąd typu II. Jednak wielkość próby zależy od liczby innych czynników, w tym planowanej analizy i wrażliwości stosowanych miar zachowania. Dlatego idealnie byłoby przeprowadzić wstępny eksperyment, aby zrozumieć rozmiary efektów dla konkretnego projektu i wykorzystać te dane jako dane wejściowe do analizy mocy. Należy jednak pamiętać, że przeprowadzenie eksperymentu pilotażowego na zaledwie kilku uczestnikach doprowadzi do błędnych i niewiarygodnych szacunków wielkości efektu. W związku z tym, jeśli zasoby są ograniczone, lepiej jest polegać na poprzednich badaniach o porównywalnych wynikach i przyjąć nieco bardziej konserwatywne podejście, tj. szacując nieco mniejsze rozmiary efektu niż podane w literaturze.

Miary wyników
Aby ocenić skuteczność tDCS w odniesieniu do pamięci, należy dobrać odpowiednie zadania behawioralne. W rzeczywistości wybór zadania pamięciowego jest jednym z kluczowych aspektów projektu badania, ponieważ zdolność do wykrycia efektu tDCS zależy bezpośrednio od czułości zadania. Wyzwanie polega na tym, że większość standaryzowanych narzędzi oceny pamięci lub klasycznych zadań neuropsychologicznych może nie być wystarczająco czuła, aby wykryć efekty tDCS w określonych populacjach. Co więcej, większość ustandaryzowanych zadań nie jest dostępna w dwóch lub więcej równoległych formach i dlatego nie może być używana w projektach wewnątrzprzedmiotowych. Z tego powodu większość badań pamięci tDCS korzysta z niestandardowych zadań kompilacji. Projektując lub wybierając miarę wyniku, należy upewnić się, że zadanie jest: (1) ogniskowym/selektywnym pomiarem interesującej nas funkcji pamięci; (2) czuły (tj. że skala jest wystarczająco drobna, aby wykryć nawet niewielkie zmiany); (3) wyzwanie dla uczestników (tj. że trudność zadania jest wystarczająca, a tym samym pozwala uniknąć efektu cellingu); (4) niezawodny (tj. że błąd pomiaru jest zminimalizowany w jak największym stopniu). Dlatego należy stosować empirycznie potwierdzone, ściśle równoległe formy zadań pamięciowych, które mają wystarczającą liczbę prób - zarówno w celu zapewnienia czułości pomiaru, jak i maksymalizacji jego wiarygodności. Idealnie byłoby, gdyby zadania zostały wstępnie przetestowane na grupie pobranej z tej samej populacji, co uczestnicy eksperymentu, aby upewnić się, że maksymalna wydajność nie jest osiągalna i że formularze zadań mają równe wskaźniki trudności. Wreszcie, najlepiej jest używać zadań komputerowych, gdy tylko jest to możliwe, ponieważ pozwalają one na kontrolowany czas trwania i precyzyjne wyczucie czasu. W ten sposób naukowcy mogą upewnić się, że wszyscy uczestnicy przechodzą ocenę pamięci w tym samym czasie w odniesieniu do czasu stymulacji (podczas lub po tDCS). Czas trwania każdego zadania lub bloku zadań nie powinien być dłuższy niż 10 minut, aby uniknąć zmęczenia i wahań poziomu koncentracji; ocena poznawcza nie powinna być dłuższa łącznie niż 90 minut (w tym zadania zarówno w trakcie, jak i po tDCS).

Protokół

Procedura ta została zatwierdzona przez Instytucjonalną Komisję Etyczną i jest zgodna z Deklaracją Helsińską oraz wytycznymi dotyczącymi badań z udziałem ludzi.

1. Materiały

UWAGA: Dla każdej sesji tDCS należy przygotować następujące materiały (Rysunek 1).

  1. Należy przygotować urządzenie do tDCS – należy używać wyłącznie urządzenia tDCS zasilanego bateryjnie lub urządzenia tDCS podłączonego do sieci z izolacją optyczną. Urządzenie powinno funkcjonować jako stymulator prądu stałego z maksymalnym wyjściem ograniczonym najlepiej do zakresu kilku miliamperów. Urządzenie musi posiadać zatwierdzenie regulacyjne do stosowania u ludzi.
  2. Należy przygotować elektrody gumowe – należy użyć elektrod w kształcie kwadratu o wymiarach 5 cm x 5 cm lub okrągłych o powierzchni 25 cm2. Elektrody te zapewnią gęstość prądu od 0.06 mA/cm2 do 0.08 mA/cm2 dla prądów odpowiednio 1.5 mA-2 mA.
  3. Należy przygotować kieszonki gąbkowe dopasowane do elektrod gumowych. Jeśli kieszonka gąbkowa będzie zbyt duża, zwiększy to powierzchnię kontaktu ze skórą.
  4. Należy przygotować roztwór soli fizjologicznej (standardowy 0.9% NaCl).
  5. Należy przygotować alkohol (70%).
  6. Należy przygotować regulowaną czepek silikonowy – można również użyć pasków na głowę, jednak silikonowe czepki do EEG mogą być lepiej dopasowane do rozmiaru i kształtu głowy uczestników, co sprawia, że są wygodniejsze przy rozmieszczaniu elektrod.
  7. Należy przygotować miarkę krawiecką (elastyczną; plastikową lub taśmową).
  8. Należy przygotować marker do skóry – ołówki do znakowania skóry lub różne produkty kosmetyczne (np. kredka do oczu lub kredka do cieni), z których te drugie mogą być nawet wygodniejsze, ponieważ są testowane dermatologicznie i łatwo się je usuwa.
  9. Należy przygotować waciki bawełniane.
  10. Należy przygotować grzebień i jednorazowe mini gumki do włosów z silikonu.
  11. Należy przygotować strzykawkę lub plastikową pipetę.
  12. Należy przygotować arkusz protokołu – formularz do wpisywania podstawowych informacji o sesji, tj. ID uczestnika, ID badania, daty, godzin, uwag itp. (przykład znajduje się w Załączniku).
  13. Należy przygotować tabelę z uprzednio obliczonymi pomiarami głowy, aby ułatwić rozmieszczenie elektrod.
    UWAGA: Aby przyspieszyć proces i zmniejszyć możliwość wystąpienia błędów, zaleca się przygotowanie tej tabeli z wyprzedzeniem. Pomiar opiera się na systemie rozmieszczania elektrod EEG 10-20; wartości użyte do obliczeń to odległości nasion-inion/lewa-prawa-przedszczękowe (patrz poniżej). Tabela podaje wartości 20% dla zakresu wartości odległości. Uznaliśmy za najwygodniejsze umieszczenie tabeli bezpośrednio w arkuszu protokołu (Załącznik).
  14. Należy przygotować kwestionariusze. Dla każdej sesji należy zebrać dane na temat odczuć i efektów ubocznych przed i po tDCS; odczuć oraz poziomu (nie)przyjemności podczas tDCS; nastroju i ogólnego stanu subiektywnego, tj. świeżości/zmęczenia.

Schemat eksperymentu z elektrycznością statyczną; materiały obejmują zasilacz, przewody, szczotki, pipety.
Rysunek 1: Materiały do eksperymentu tDCS (szczegóły w tekście). 1) urządzenie tDCS; 2) elektrody; 3) gąbki; 4) roztwór soli fizjologicznej; 5) alkohol; 6) silikonowa czapeczka; 7) taśma miernicza; 8) pisak do skóry; 9) waciki bawełniane; 10) grzebienie i silikonowe opaski do włosów; 11) strzykawka Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Programowanie protokołów stymulacji

UWAGA: Dokładne kroki programowania protokołu tDCS różnią się w zależności od stosowanych systemów/urządzeń tDCS. Niemniej jednak wszystkie urządzenia tDCS oferują podstawowe funkcje – możliwość generowania stałego prądu o żądanej intensywności stymulacji, możliwość stopniowego zwiększania i zmniejszania natężenia prądu (ramp up/down) oraz metodę ustawiania czasu trwania stymulacji. Bardziej zaawansowane protokoły, takie jak theta-oscillatory tDCS, wymagają urządzeń/systemów umożliwiających tworzenie niestandardowych protokołów stymulacji.

  1. Stała anodalna tDCS
    1. Zdefiniuj standardowy protokół stałej anodalnej tDCS (Rysunek 2A>) w następujący sposób: (1) okres narastania trwający 30 sekund, podczas którego natężenie prądu jest stopniowo zwiększane od 0 mA do natężenia docelowego (zazwyczaj stosujemy 1,5 mA, ale można użyć również innych natężeń, o ile mieszczą się one w granicach bezpieczeństwa); (2) okres stymulacji, podczas którego podawany jest stały prąd o natężeniu docelowym (np. 1,5 mA); oraz (3) okres wygaszania trwający 30 sekund, podczas którego natężenie prądu jest stopniowo zmniejszane do 0 mA.

Diagramy analizy kształtu fali; sygnał skokowy, oscylacja, wzór trójkątny; wizualizacja wykresu.
Rysunek 2: Protokoły tDCS: (A) Stała anodalna tDCS; (B) Oscylacyjna tDCS w rytmie theta; (3) Pozorna tDCS (Sham tDCS). Okres narastania zaznaczono na pomarańczowo, a okres wygaszania na zielono. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Oscylacyjna tDCS w rytmie theta
    1. Oscylacyjna tDCS w rytmie theta dostarcza prąd o zmiennym natężeniu, ale nie zmienia polaryzacji (Rysunek 2B). Należy zatem zdefiniować przebieg dostarczanego prądu w następujący sposób: (1) okres narastania (fade-in) trwający 30 sekund, podczas którego natężenie prądu jest stopniowo zwiększane od 0 mA do natężenia docelowego (np. 1,5 mA); (2) okres stymulacji trwający 19 minut, w którym prąd oscyluje wokół natężenia docelowego w predefined zakresem amplitudy (stosujemy oscylacje ± 0,5 mA względem natężenia docelowego) z wybraną częstotliwością (zazwyczaj stosujemy częstotliwość 5 Hz jako reprezentatywną dla rytmu theta); oraz (3) okres wygaszania (fade-out) trwający 30 sekund, aby zredukować natężenie prądu do 0 mA.
      UWAGA: Protokół ten można wygenerować za pomocą dowolnego oprogramowania do sterowania eksperymentem (np. CED Signal) i dostarczyć poprzez inteligentny interfejs (np. urządzenia z serii CED 1401), który jest kompatybilny z używanym urządzeniem tDCS. Niektóre bardziej zaawansowane, dedykowane systemy przezczaszkowej stymulacji elektrycznej (tES), poza tDCS, mogą dostarczać również prąd zmienny (tACS) oraz stymulację szumem losowym (tRNS). Mogą one być również wykorzystane do generowania protokołu oscylacyjnej tDCS. Na przykład w systemie StarStim protokół oscylacyjnej tDCS w rytmie theta jest definiowany jako liniowa kombinacja tDCS (1,5 mA) i tACS (±0,5 mA, 5 Hz). Tego typu protokół można spersonalizować w taki sposób, że nie wszyscy uczestnicy otrzymują stymulację oscylacyjną o tej samej częstotliwości (tj. 5 Hz), lecz częstotliwość jest dostosowywana do dominującej częstotliwości w pasmie theta dla każdej osoby (np. Osoba 1: 5 Hz, Osoba 2: 6 Hz, Osoba 3: 4,5 Hz itd.).

   

  1. Pozorna tDCS (sham)
    1. Należy zastosować protokół pozorny o takim samym czasie trwania jak stała/oscylacyjna tDCS (Rycina 2C). W szczególności definiuje się go następująco: (1) pierwszy okres narastania/spadku prądu, w którym natężenie jest stopniowo zwiększane do wartości docelowej (np. 1.5 mA), a następnie stopniowo zmniejszane do 0 mA w ciągu pierwszych 60 sekund; (2) 18 minut przy 0 mA oraz (3) drugi okres narastania/spadku prądu, który ponownie trwa 60 sekund.
      UWAGA: Alternatywnym podejściem byłoby zastosowanie bardzo niskiego natężenia prądu przez cały okres stymulacji (20 min). Tego rodzaju protokół pozorny programuje się analogicznie do stymulacji anodowej (ustawia się jedynie natężenie prądu na 0.1 mA); ma on na celu wywołanie doznań skórnych, jednak natężenie jest zbyt niskie, aby wywołać jakiekolwiek efekty fizjologiczne33.

3. Umiejscowienie elektrod (Rysunek 3)

  1. Montaż elektrod DLPFC: W celu stymulacji DLPFC umieść elektrodę docelową (anodę) w punkcie F3 (lewa strona) lub F4 (prawa strona) zgodnie z międzynarodowym systemem EEG 10-20. Umieść elektrodę powrotną (katodę) na przeciwległym policzku – tzn. na prawym policzku dla anody F3 i na lewym policzku dla anody F4.
  2. Montaż elektrod PPC: W celu stymulacji obszaru PPC umieść elektrodę docelową (anodę) w punkcie P3 (lewa strona) lub P4 (prawa strona) zgodnie z międzynarodowym systemem EEG 10-20. Umieść elektrodę powrotną (katodę) na przeciwległym policzku, analogicznie jak w montażu dla DLPFC.
  3. Umiejscowienie elektrody docelowej
    1. Lokalizacja punktu F3 na głowie uczestnika
      1. Za pomocą centymetra zmierz odległość między nasion (najgłębszy punkt nasady nosa) a inion (najbardziej wystający punkt zewnętrznego guza potylicznego), prowadząc pomiar przez czubek głowy. Zaznacz połowę tej odległości cienką linią przy użyciu markera skórnego.
      2. Zmierz odległość między uszami (jako punkty odniesienia wykorzystaj punkty przeduszne), prowadząc pomiar przez czubek głowy, i zaznacz połowę tej odległości cienką linią.
      3. Wyznacz punkt vertex lub środkową pozycję centralną, określaną jako Cz, w miejscu przecięcia się obu linii środkowych. Zaznacz go wyraźnie markerem skórnym.
      4. Ponownie zmierz odległość nasion-inion, tym razem prowadząc pomiar przez Cz, i zapisz tę wartość jako pomiar A. Ponownie zmierz odległość między uszami, tym razem prowadząc pomiar przez Cz, i zapisz tę wartość jako pomiar B.
      5. Oblicz 20% odległości A oraz 20% odległości B (lub skorzystaj z wartości obliczonych wcześniej w arkuszu protokołu).
      6. Przesuń się o 20% odległości A do przodu od punktu Cz wzdłuż linii nasion-inion, aby dotrzeć do Fz (środkowa linia czołowa), i zaznacz to miejsce.
      7. Przesuń się o 20% odległości B w lewo od punktu Cz wzdłuż linii międzyusznej, aby dotrzeć do C3 (lewa strona, centralnie), i zaznacz to miejsce.
      8. Przesuń się o 20% do przodu od punktu C3 (równolegle do linii nasion-inion) oraz o 20% w lewo od Fz (równolegle do linii międzyusznej), aby dotrzeć do punktu F3 w miejscu ich przecięcia. Zaznacz F3 markerem skórnym i umieść w tym miejscu środek elektrody.
    2. Aby zlokalizować punkt F4, postępuj zgodnie z tą samą procedurą, ale po prawej stronie głowy.
    3. Lokalizacja punktu P3 na głowie uczestnika
      1. Wykonaj kroki 3.3.1.1–3.3.1.5 opisane powyżej (wyznaczenie Cz, pomiar odległości A i B, obliczenie 20%).
      2. Przesuń się o 20% odległości A do tyłu od punktu Cz wzdłuż linii nasion-inion, aby dotrzeć do Pz (środkowa linia ciemieniowa), i zaznacz to miejsce.
      3. Przesuń się o 20% odległości B w lewo od punktu Cz wzdłuż linii międzyusznej, aby dotrzeć do C3, i zaznacz to miejsce.
      4. Przesuń się o 20% do tyłu od C3 (równolegle do linii nasion-inion) oraz o 20% w lewo od Pz (równolegle do linii międzyusznej), aby dotrzeć do punktu P3 w miejscu ich przecięcia. Zaznacz P3 markerem skórnym i umieść w tym miejscu środek elektrody.
    4. Aby zlokalizować punkt P4, postępuj zgodnie z tą samą procedurą, ale po prawej stronie głowy.
  4. Umiejscowienie elektrody powrotnej
    1. Po zamocowaniu elektrody docelowej za pomocą regulowanej silikonowej czapki (patrz procedura krok po kroku), wsuń elektrodę powrotną pod pasek podbródkowy, aby zapewnić kontakt elektrody z przeciwległym policzkiem.

Schemat rozmieszczenia elektrod EEG, system 10-20 kierujący monitorowaniem mózgu, oznaczone pozycje elektrod.
Rycina 3: Schemat rozmieszczenia elektrod. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

4. Procedura krok po kroku

  1. Przed sesją tDCS
    1. Sprawdź, czy każdy uczestnik spełnia kryteria włączenia określone w zatwierdzeniu etycznym badania (najczęstsze kryteria włączenia/wykluczenia znajdują się w Appendix ).
    2. Poproś uczestnika o wypełnienie arkusza informacji dla uczestnika (zawierającego wszystkie istotne dane, takie jak wiek, płeć, spożycie nikotyny/alkoholu itp.34).
    3. Postępuj zgodnie z etycznymi wytycznymi instytucjonalnej komisji bioetycznej i poproś uczestnika o podpisanie świadomej zgody. Wykorzystaj tę okazję do wyjaśnienia podstawowych aspektów procedury, której zostaną poddani, oraz do odpowiedzi na wszelkie pytania uczestników.
    4. W zależności od projektu badania przeprowadź bazową ocenę poznawczą (pamięci i/lub innych funkcji poznawczych).
  2. Konfiguracja tDCS i stymulacja
    1. Usiądź uczestnika wygodnie na krześle.
    2. Poproś uczestnika o wypełnienie listy kontrolnej doznań przed tDCS oraz o zgłoszenie stanu ogólnego (np. aktualnego nastroju, poczucia świeżości/zmęczenia – można to ocenić za pomocą pojedynczego pytania typu Likerta lub standaryzowanych kwestionariuszy, takich jak Brief Mood Introspection Scale35).
    3. Wykonaj pomiary głowy za pomocą centymetra krawieckiego.
    4. W celu zlokalizowania DLPFC lub PPC postępuj zgodnie z opisaną powyżej procedurą (umiejscowienie elektrod). Zapisz pomiary w arkuszu protokołu dla każdego uczestnika. Mogą one służyć do weryfikacji podczas pomiarów w kolejnych sesjach.
    5. Aby zwiększyć przewodność, odsuń włosy uczestnika z miejsca stymulacji (użyj grzebienia i opasek do włosów u uczestników z długimi włosami).
    6. Sprawdź, czy w miejscu stymulacji nie ma oznak uszkodzenia skóry. Unikaj umieszczania elektrod na uszkodzonej skórze.
    7. Oczyść powierzchnię skóry w miejscach, gdzie zostaną umieszczone elektrody, za pomocą nasączonych alkoholem wacików bawełnianych, aby usunąć tłuszcz, brud itp., i pozostaw do wyschnięcia (użyj produktu do usuwania makijażu, jeśli uczestnik ma mocny makijaż na policzku).
    8. Nałóż silikonową czapeczkę na głowę uczestnika i zabezpiecz ją paskiem podbródkowym. Nie zaciśnij czapeczki zbyt mocno (zostanie to zrobione później).
    9. Nasącz kieszenie na gąbki roztworem soli fizjologicznej i włóż do nich elektrody. Gąbki powinny być wilgotne, ale nie ociekające; zazwyczaj wystarcza 10-15 mL roztworu soli fizjologicznej na gąbkę. Zbyt suche gąbki spowodują wysoką rezystancję i słabą przewodność, a nawet utratę połączenia obwodu.
      UWAGA: Większość urządzeń tDCS posiada wskaźniki rezystancji, jednak wilgotność gąbek należy okresowo sprawdzać. Z drugiej strony, nadmierne namoczenie gąbek może spowodować przemieszczenie się prądu po głowie podczas stymulacji. Zaleca się umiarkowane zwilżenie gąbek i używanie strzykawki do dodawania roztworu soli fizjologicznej w trakcie eksperymentu, jeśli gąbki staną się zbyt suche.
    10. Umieść elektrodę gąbkową pod silikonowymi paskami i ustaw środek elektrody docelowej w zaznaczonym miejscu na głowie. Umieść elektrodę powrotną na przeciwległym policzku. Użyj silikonowych pasków, aby dopasować czapeczkę do rozmiaru i kształtu głowy uczestnika. Czapeczka powinna być ciasna, aby elektrody nie przesuwały się, ale nadal wygodna dla uczestnika.
    11. Włącz stymulator, wybierz i uruchom zdefiniowany protokół tDCS (aktywna stymulacja anodowa lub sham).
    12. Poproś uczestnika o relaks i pozwól mu zgłaszać odczucia podczas pierwszych kilku minut stymulacji (1-3 minuty). Wyjaśnij, że doznania będą powoli zanikać w miarę przyzwyczajania się do nich lub gdy uczestnik skupi uwagę na innej czynności.
    13. Aby uniknąć nieustrukturyzowanych aktywności, które mogą zakłócać efekty stymulacji, zastosuj lekkie zaangażowanie poznawcze podczas tDCS. Na przykład uczestnicy mogą wykonywać próby treningowe zadań poznawczych lub brać udział w prostych grach pamięciowych podczas stymulacji (rozpoczynając po 3-5 minutach stymulacji). Tego rodzaju zaangażowanie poznawcze podczas stymulacji może wzmacniać efekty tDCS i pomoże uczestnikom odciągnąć uwagę od wywołanych przez tDCS doznań skórnych.
    14. Poproś uczestnika o wielokrotne zgłaszanie odczuć podczas stymulacji (np. o ocenę poziomu nieprzyjemności w 10-punktowej skali co 5 minut stymulacji, gdzie 1 – całkowity brak, 10 – bardzo intensywne). Wyższe poziomy nieprzyjemności (>6) mogą wystąpić u niektórych uczestników w okresach narastania i wygaszania prądu. Jeśli poziom nieprzyjemności pozostaje wysoki po 5 minutach, przerwij stymulację.
    15. Po upływie zdefiniowanego czasu trwania protokołu wyłącz stymulator.
    16. Najpierw wyjmij elektrody gąbkowe, a następnie zdejmij silikonową czapeczkę.
    17. Poproś uczestnika o wypełnienie listy kontrolnej doznań po tDCS i zgłoszenie wszelkich skutków ubocznych, które nie zostały już wymienione.
    18. Oczyść skórę w miejscach, które były zaznaczone, i sprawdź, czy nie wystąpiły żadne zmiany. W przypadku reakcji skórnej (np. miejscowego rozszerzenia naczyń krwionośnych, tj. zaczerwienienia skóry na policzku), monitoruj ją do czasu ustąpienia; zazwyczaj jest to reakcja przejściowa u uczestników z wrażliwą skórą i powinna zniknąć w ciągu 10-15 minut.
  3. Ocena pamięci
    1. Aby ustandaryzować ocenę u wszystkich uczestników, należy użyć komputerowych narzędzi oceny, tj. zadań pamięciowych z automatycznym punktowaniem. Kilka zadań WM (np. werbalne i przestrzenne zadanie 3-back) oraz zadań AM (werbalne uczenie się par; przypominanie z podpowiedzią twarz-słowo, lokalizacja obiektu itp.) można znaleźć tutaj: https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408
    2. Aby ocenić specyficzność efektów tDCS na pamięć, zaleca się uwzględnienie zadania lub zadań kontrolnych, tj. zadań badających inne funkcje poznawcze lub motoryczne.
  4. Zakończenie sesji eksperymentalnej/badania
    1. Po (ostatniej) sesji eksperymentalnej w badaniu poproś uczestnika o próbę odgadnięcia sesji, w których otrzymał stymulację rzeczywistą i sham. Zanotuj wszystkie odpowiedzi i sprawdź, czy uzyskane proporcje są wyższe niż prawdopodobieństwo losowe. Jeśli nie, zaślepienie przebiegło pomyślnie. Jeśli uczestnicy byli w stanie odróżnić stymulację rzeczywistą od sham, przeanalizuj dane dla osób, które odgadły prawidłowo, i tych, którym się to nie udało, aby sprawdzić, czy nieudane zaślepienie wpłynęło na efekty tDCS.
    2. Zgodnie z wytycznymi etycznymi, po zakończeniu udziału szczegółowo poinformuj uczestników o celu i przebiegu badania (debriefing).
  5. Po sesji eksperymentalnej
    1. Umyj gąbki pod bieżącą wodą z mydłem, aby całkowicie wypłukać roztwór soli fizjologicznej. Pozostaw gąbki do całkowitego wyschnięcia przed ich odłożeniem.
    2. Użyj ciepłej wody i alkoholu do oczyszczenia wszystkich materiałów wielokrotnego użytku, w tym grzebienia, silikonowej czapeczki i centymetra krawieckiego.
    3. Sporządź notatki na temat wszystkich nietypowych, nieoczekiwanych lub nieplanowanych zdarzeń, które mogły wystąpić podczas sesji – w tym wszelkich awarii sprzętu, istotnych uwag uczestnika, przerw itp.

Wyniki

Opisany protokół został z sukcesem zastosowany w celu poprawy sprawności pamięci w kilku badaniach przeprowadzonych w naszym laboratorium. Podobne protokoły były stosowane również w innych laboratoriach badawczych (np. zobacz36,37).

W odniesieniu do pamięci roboczej nasze wyniki wykazały, że 20-minutowa tDCS prawego płata czołowego (lokalizacja F4; stały prąd 1,8 mA) poprawiła werbalną pamięć roboczą, podczas gdy ten sam protokół stymulacji zastosowany nad lewą korą ciemieniową (lokalizacja P3) zaowocował lepszymi wynikami w zakresie przestrzennej pamięci roboczej. W przeciwieństwie do powyższych, nie stwierdzono istotnych efektów, gdy ten sam protokół stymulacji zastosowano nad lewym płatem czołowym (F3) oraz prawą korą ciemieniową (P4). Rysunek 4 przedstawia reprezentatywne wyniki modelowania pola elektrycznego generowanego przez tDCS, a także wskaźniki wydajności po aktywnej i pozornej (sham) tDCS na podstawie danych przedstawionych w pracy Živanović et al., 202138.

Aktywność mózgu w eksperymencie tDCS; wykresy pamięci roboczej; schemat zadania poznawczego; badanie z zakresu neuronauki.
Rysunek 4: (A) Wpływ stałej anodalnej tDCS lewego PPC (montaż P3-policzek kontralateralny) na wyniki pamięci roboczej przestrzennej (zadanie spatial 3-back); (B) Wpływ stałej anodalnej tDCS prawego DLPFC (montaż F4-policzek kontralateralny) na wyniki pamięci roboczej werbalnej (zadanie verbal 3-back). Rysunek przedstawia symulację pól elektrycznych indukowanych przez tDCS, schemat prób zadania oraz wyniki wewnątrzpodmiotowe w warunkach aktywnej stymulacji i pozorowanej (wartości zostały scentrowane względem kolejności sesji w celu uwzględnienia kontrbalansowania, tzn. wartości dodatnie wskazują na wyniki powyżej średniej, natomiast wartości ujemne wskazują na wyniki poniżej średniej w danej sesji). Symulacja lokalnych pól elektrycznych generowanych przez układ elektrod została wykonana przy użyciu biblioteki COMETS2 MATLAB 41. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Efekty ciemieniowej tDCS na pamięć asocjacyjną okazały się spójne i wyraźne. W serii eksperymentów wewnątrzgrupowych wykazaliśmy, że 20 minut tDCS nad lewym PPC (lokalizacja P3; stały prąd 1,5 mA) poprawia pamięć dla asocjacji twarz-słowo27,39,40. Rycina 5 przedstawia reprezentatywne zadanie i wyniki. Ponadto podobne efekty zaobserwowano w zadaniu AM oceniającym asocjacje obiekt-lokalizacja, gdy stymulowano prawe PPC (lokalizacja P4) przy użyciu tego samego protokołu stałej tDCS40.

Schemat rozpoznawania i przypominania sobie twarzy wraz z wykresem wyników AM; proces uczenia się, rozpoznawania i przypominania.
Rysunek 5: Wpływ stałej anodowej tDCS lewego PPC (montaż P3-policzek przeciwległy) na sprawność pamięci asocjacyjnej (A) Zadanie z parami twarz-słowo; (B) Wpływ stałej anodowej tDCS lewego PPC (montaż P3-policzek przeciwległy) na sprawność pamięci asocjacyjnej (procent poprawnie przypomnianych słów na podstawie wskazówki). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Bardziej zaawansowane protokoły, takie jak theta-oscylacyjna tDCS, były badane w mniejszym stopniu, jednak badanie przeprowadzone przez Langa i współpracowników26, a także niedawne badanie przeprowadzone w naszym laboratorium27, wykazały poprawę w AM dla par twarz-słowo po zastosowaniu protokołu theta-oscylacyjnej tDCS w porównaniu z procedurą pozorowaną (sham). Animowana rycina przedstawia symulację pola elektrycznego indukowanego przez theta-oscylacyjną tDCS nad lewym PPC.

Wideo 1. Kliknij tutaj, aby pobrać to wideo.

Dodatek. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać te pliki.

Dyskusja

Wynik badania tDCS dotyczącego pamięci zależy od wielu czynników, a niektóre z nich, np. jednorodność/heterogeniczność próby, wystarczająca moc statystyczna, trudność zadań pamięciowych i motywacja uczestników zostały już wcześniej omówione (patrz Berryhill, 2014). Dostępnych jest kilka doskonałych artykułów na temat metody tDCS, a także bardziej ogólne samouczki na temat zastosowania tDCS do badania funkcji poznawczych, które można również dobrze zastosować w badaniach nad pamięcią (patrz 17,43,44,45,46,47). W tym miejscu skupimy się na tych aspektach protokołu, które, jak wynika z naszego doświadczenia, są istotne, ale często pomijane lub niewystarczająco szczegółowo omówione gdzie indziej.

Umieszczenie elektrody powrotnej. Ważne jest, aby pamiętać, że elektroda powrotna nie jest zaciskiem pasywnym, ale o ujemnej polaryzacji (tj. Katodzie). Dlatego może wywoływać efekty fizjologiczne, które są przeciwne do elektrody docelowej. Co więcej, przepływ prądu zależy od położenia powrotu w takim samym stopniu, jak od elektrody docelowej. Ponadto, ponieważ prąd płynie po ścieżce o najmniejszym oporze, jeśli anoda i katoda znajdują się zbyt blisko siebie, prąd może przepływać tylko przez powierzchnię skóry i/lub przez płyn mózgowo-rdzeniowy między elektrodami, pozostawiając w ten sposób tkankę korową nienaruszoną. Z tych powodów staranny wybór elektrody powrotnej jest tak samo istotny, jak położenie elektrody docelowej. Istnieją dowody metaanalityczne sugerujące, że katody pozaczaszkowe z większym prawdopodobieństwem wywołują znaczące efekty48. Umiejscowienie elektrody powrotnej na przeciwległym policzku w celu poprawy pamięci oparto na modelowaniu przepływu prądu i wybrano tak, aby uniknąć potencjalnych zakłócających skutków generowania ujemnej polaryzacji nad obszarami mózgu nieistotnymi dla funkcji. Umiejscowienie elektrody powrotnej na przeciwległym policzku było z powodzeniem stosowane w poprzednich badaniach WM (patrz 36,37,38,49, a także w badaniach AM 27,39,40) i zostało podkreślone jako dobry wybór dla montaży tDCS mających na celu modulację innych funkcji poznawczych, jak również 45.

Oślepiający. W eksperymentach z pojedynczą ślepą próbą, aby zapewnić oślepienie uczestnika, pozycja stymulatora i/lub wyświetlacza monitorującego powinna być poza zasięgiem wzroku uczestnika. Jest to szczególnie ważne w przypadku korzystania ze stymulatorów, które mają lampki wskazujące, kiedy urządzenie jest włączone i/lub dostarcza prąd. W przypadku projektów z podwójnie ślepą próbą (gdy zarówno uczestnik, jak i eksperymentator nie są świadomi protokołu, który jest podawany), należy skorzystać z opcji podwójnie ślepej próby lub podobnej opcji, która jest dostępna dla danego urządzenia. Jeśli taka opcja nie jest dostępna, dobrą praktyką jest przeprowadzenie procedury z udziałem dwóch eksperymentatorów. Oznacza to, że jeden eksperymentator przychodzi tylko po to, aby uruchomić protokół stymulacji, podczas gdy drugi eksperymentator, który przeprowadza uczestnika przez eksperyment, w tym kolejne zadanie pamięciowe i analizuje dane, opuszcza pomieszczenie tuż przed i w trakcie stymulacji. Zgodnie ze standardami metodologicznymi, eksperymenty z podwójnie ślepą próbą są preferowane w stosunku do projektów z pojedynczą ślepą próbą, ponieważ zmniejszają one stronniczość lub efekty "eksperymentatora". Jest to bardzo istotne podczas prowadzenia badań klinicznych i/lub korzystania z oceny funkcji poznawczych opartej na wywiadzie. Jednak zaślepienie eksperymentatora jest mniejszym problemem, gdy uczestnicy są wysoce zmotywowani do maksymalizacji swojej wydajności (co ma miejsce głównie w przypadku oceny pamięci lub poprawy funkcji poznawczych w ogóle) oraz gdy zadanie jest administrowane, a także oceniane automatycznie (tj. gdy eksperymentator ma niewielką lub żadną interwencję w fazie oceny).

Aktywność podczas tDCS. Autorzy prac tDCS rzadko informują o tym, co uczestnicy robili podczas stymulacji. Kiedy aktywność nie jest zgłaszana, zwykle sugeruje się, że uczestnicy zostali poinstruowani, aby usiąść wygodnie i zrelaksować się. Jednak brak ustrukturyzowanej aktywności stanowi źródło niekontrolowanego "szumu" w eksperymentach. Mianowicie, 20 minut to dość długi czas, więc niektórzy uczestnicy mogą wykorzystać ten czas na relaks (z możliwością nawet zaśnięcia), podczas gdy inni mogą skupić się na odczuciach związanych z tDCS lub zacząć rozmyślać lub nadmiernie myśleć na tematy niezwiązane z tDCS. Istnieją dowody sugerujące, że aktywność związana z funkcjonowaniem, ale nie męcząca, wykonywana podczas tDCS może potencjalnie sprzyjać efektom tDCS50. Z tych powodów w naszych eksperymentach uczestnicy wykonują albo próby praktyczne zadań pamięciowych, które mają być używane jako miary wyników, albo podobne zadania pamięciowe. Próby praktyczne są dobrym wyborem, ponieważ angażują te same sieci neuronowe, co funkcja docelowa, ale są łatwiejsze, a zatem nie są frustrujące ani męczące dla uczestników. Poza tym przeprowadzanie prób praktycznych podczas stymulacji jest ekonomiczne w tym sensie, że skraca czas testowania po tDCS, co jest korzystne, zwłaszcza gdy projekt badania obejmuje wiele zadań do wykonania po tDCS. Jednak próby praktyczne są zwykle znacznie krótsze niż 20 minut, dlatego należy również przedstawić alternatywną aktywność. W tym celu wykorzystaliśmy wspólne gry pamięciowe40, które utrzymują koncentrację uczestników, pomagają im zabić czas i odciągają umysł od wrażeń wywołanych przez tDCS i sprawiają, że ogólnie czują się bardziej komfortowo w warunkach testowych. Kilka rzeczy, o których należy pamiętać przy wyborze zadania pamięciowego do wykonania podczas tDCS, to to, że zadanie nie powinno być trudne, ale też nie nudne (zadania adaptacyjne ustawione na 80% wskaźnik sukcesu są dobre w tym kontekście); Zadanie nie powinno zawierać materiału, który mógłby przeszkadzać w późniejszej ocenie pamięci (np. podczas oceny pamięci twarzy i słów można użyć par abstrakcyjnych obrazów/kształtów). Kolejną ważną kwestią jest czas trwania "okresu habituacji", czyli jak długo po rozpoczęciu stymulacji uczestnicy powinni zacząć wykonywać "aktywność rozpraszającą". Istnieją indywidualne różnice w intensywności doznań i czasach przyzwyczajenia, ale większość uczestników będzie gotowa do rozpoczęcia aktywności po 3-5 minutach stymulacji.

Odczucia skórne. Niektórzy uczestnicy mogą być bardziej wrażliwi na skórne efekty tDCS, zgłaszając w ten sposób podwyższony poziom dyskomfortu, chociaż nie zdarza się to zbyt często. Ważne jest, aby poinformować uczestników o potencjalnych odczuciach, których mogą doświadczyć przed eksperymentem. Jeśli ktoś boi się zabiegu, często pozwalamy uczestnikom "poczuć" prąd na dłoni przed założeniem gąbek na głowę. Uczestnicy powinni być stale monitorowani i proszeni o przekazywanie informacji zwrotnych na temat ich poziomu komfortu i doznań w regularnych odstępach czasu. Jeśli uczestnik zgłasza zwiększony poziom dyskomfortu, zawsze proponuj przerwanie eksperymentu. Ważne jest, aby uczestnicy byli świadomi, że stymulacja może zostać przerwana w dowolnym momencie, jeśli o to poproszą. Jeśli uczestnik zdecyduje się przerwać stymulację, prąd powinien być powoli zmniejszany (nagłe anulowanie protokołu stymulacji może wywołać jeszcze silniejsze doznania). Często zaleca się, aby w przypadku nieprzyjemnych doznań prąd natężenie było chwilowo obniżane do najwyższego komfortowego poziomu, aż uczestnik się dostosuje, a następnie stopniowo wracało do intensywności docelowej. Wydaje się, że jest to odpowiednia alternatywa dla przerwania protokołu stymulacji, zwłaszcza jeśli tDCS jest stosowany w warunkach klinicznych. Jednakże, gdy tDCS jest używany do celów badawczych, a zwłaszcza w stosunkowo małych próbach, ważne jest, aby wszyscy uczestnicy przeszli tę samą procedurę. Dlatego zatrzymanie eksperymentu jest lepsze niż obniżenie intensywności stymulacji dla niektórych uczestników na jakiś czas.

Raportowanie metodyki tDCS i monitorowanie potencjalnych zakłóceń. Dziedzina badawcza tDCS jest wysoce niejednorodna pod względem metod i środków, dlatego ważne jest, aby jasno informować o wszystkich aspektach procedury tDCS, w tym o procedurze zaślepiania i ocenie; ustawienie głowicy tarczy, jak również położenie elektrody powrotnej; rozmiar i kształt elektrod; rodzaj użytej substancji przewodzącej (sól fizjologiczna lub żel); natężenie prądu (mA) i gęstość (mA/cm2), a także czas trwania okresu pojawiania się/zanikania; poziomy impedancji, jeżeli są mierzone; czas trwania stymulacji (w tym okres pojawiania się/zanikania); szczegółowy opis czynności, w które uczestnicy byli zaangażowani podczas stymulacji; czas i czas trwania zadań poznawczych następujących po stymulacji (w tym przerwy, jeśli występują). Tego typu informacje ułatwiają standaryzację i systematyczną analizę opublikowanych badań (zob. niedawny przegląd na przykład51). Aspekty, o których rzadko się mówi, to wpływ potencjalnie moderujących/zakłócających zmiennych, takich jak pora dnia sesji tDCS, poziom zmęczenia/nastroju zgłaszany przez uczestników, skuteczność zaślepienia (tj. przekonania na temat rodzaju stymulacji, którą otrzymują), kolejność sesji eksperymentalnych w projektach wewnątrzobiektowych itp. Doniesiono, że większość z tych zmiennych moduluje efekty tDCS, ale ich wpływ pozostaje niedostatecznie zbadany i niespójnie opisywany. W związku z tym badania tDCS powinny zapewniać gromadzenie i raportowanie wszelkich potencjalnie zakłócających zmiennych; Szczegółowe informacje na temat dobrych praktyk znajdują się w tabelach 10A, 10B, 11 przygotowanych przez Antal i współpracowników34.

Zastosowanie opisanego protokołu dla anodowego tDCS zarówno w jego standardzie, jak i, co więcej, w jego zaawansowanej formie (tj. tDCS modulowany oscylacyjnie) zapewnia nie tylko środek do poprawy funkcji pamięciowych (i prospektywnego zastosowania w populacjach klinicznych), ale także pozwala na badanie neurobiologii funkcjonalnych sieci neuronowych stojących za tymi funkcjami.

Oświadczenia

Autorzy nie mają sprzecznych interesów do ujawnienia

Podziękowania

To badanie było wspierane przez Fundusz Naukowy Republiki Serbii, PROMIS, grant nr #6058808, MEMORYST

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Regulowana silikonowa nasadka
Grzebień
alkoholowy
Płatki bawełniane Taśma
miernicza
Elektrody
Roztwór
fizjologicznej Jednorazowe mini włosy silikonowe
Marker
Kieszenie na gąbkę
Urządzenie
gumowesoliopaskiskórny Strzykawka tDCS

Bibliografia

  1. Baddeley, A. Working memory: Looking back and looking forward. Nature Reviews Neuroscience. 4, 829-839 (2003).
  2. Aurtenetxe, S., et al. Interference Impacts Working Memory in Mild Cognitive Impairment. Frontiers in Neuroscience. 10, 443(2016).
  3. Chen, P. C., Chang, Y. L. Associative memory and underlying brain correlates in older adults with mild cognitive impairment. Neuropsychologia. 85, 216-225 (2016).
  4. Bastin, C., et al. Associative memory and its cerebral correlates in Alzheimer's disease: Evidence for distinct deficits of relational and conjunctive memory. Neuropsychologia. 63, 99-106 (2014).
  5. McKhann, G. M., et al. The diagnosis of dementia due to Alzheimer's disease: Recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer's Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer's disease. Alzheimer's & Dementia. 7, 263-269 (2011).
  6. Bopp, K. L., Verhaeghen, P. Aging and Verbal Memory Span: A Meta-Analysis. Journals of Gerontology: Social Sciences section of The Journal of Gerontology Series B. 60, 223-233 (2005).
  7. Chalfonte, B. L., Johnson, M. K. Feature memory and binding in young and older adults. Memory & Cognition. 24, 403-416 (1996).
  8. Livingston, G., et al. Dementia prevention, intervention, and care: 2020 report of the Lancet Commission. Lancet. 396, 413-446 (2020).
  9. Dharmarajan, T. S., Gunturu, S. G. Alzheimer's disease: A healthcare burden of epidemic proportion. American Health & Drug Benefits. 2, 39-47 (2009).
  10. Stites, S. D., Harkins, K., Rubright, J. D., Karlawish, J. Relationships between cognitive complaints and quality of life in older adults with mild cognitive impairment, mild Alzheimer disease dementia, and normal cognition. Alzheimer Disease and Associated Disorders. 32, 276-283 (2018).
  11. Montejo, P., Montenegro, M., Fernández, M. A., Maestú, F. Memory complaints in the elderly: Quality of life and daily living activities. A population based study. Archives of Gerontology and Geriatrics. 54, 298-304 (2012).
  12. Hussenoeder, F. S., et al. Mild cognitive impairment and quality of life in the oldest old: a closer look. Quality of Life Research. 29, 1675-1683 (2020).
  13. Mol, M., et al. The effect of percieved forgetfulness on quality of life in older adults; a qualitative review. International Journal of Geriatric Psychiatry. 22, 393-400 (2007).
  14. Malkani, R. G., Zee, P. C. Brain Stimulation for Improving Sleep and Memory. Sleep Medicine Clinics. 15, 101-115 (2020).
  15. Sandrini, M., Manenti, R., Sahin, H., Cotelli, M. Effects of transcranial electrical stimulation on episodic memory in physiological and pathological ageing. Ageing Research Reviews. 61, (2020).
  16. Manenti, R., Cotelli, M., Robertson, I. H., Miniussi, C. Transcranial brain stimulation studies of episodic memory in young adults, elderly adults and individuals with memory dysfunction: A review. Brain Stimulation. 5, 103-109 (2012).
  17. Filmer, H. L., Dux, P. E., Mattingley, J. B. Applications of transcranial direct current stimulation for understanding brain function. Trends in Neuroscience. 37, 742-753 (2014).
  18. Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of Transcranial Direct Current Stimulation. Journal of ECT. 34, 144-152 (2018).
  19. Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9, 641-661 (2016).
  20. Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. International Journal of Neuropsychopharmacology. 14, 1133-1145 (2011).
  21. Owen, A. M., McMillan, K. M., Laird, A. R., Bullmore, E. N-back working memory paradigm: A meta-analysis of normative functional neuroimaging studies. Human Brain Mapping. , 46-59 (2005).
  22. Staresina, B. P., Henson, R. N. A., Kriegeskorte, N., Alink, A. Episodic Reinstatement in the Medial Temporal Lobe. Journal of Neuroscience. 32, 18150-18156 (2012).
  23. Bai, S., Loo, C., Dokos, S. A review of computational models of transcranial electrical stimulation. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 41, 21-35 (2013).
  24. Esmaeilpour, Z., et al. Methodology for tDCS integration with fMRI. Human Brain Mapping. 41, 1950-1967 (2020).
  25. Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): A tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clinical Neurophysiology. 117, 845-850 (2006).
  26. Lang, S., Gan, L. S., Alrazi, T., Monchi, O. Theta band high definition transcranial alternating current stimulation, but not transcranial direct current stimulation, improves associative memory performance. Scientific Reports. 9, (2019).
  27. Vulić, K., Bjekić, J., Paunović, D., Jovanović, M., Milanović, S., Filipović, S. R. Theta-modulated oscillatory transcranial direct current stimulation over posterior parietal cortex improves associative memory. Scientific Reports. 11, 3013(2021).
  28. Pahor, A., Jaušovec, N. The effects of theta and gamma tacs on working memory and electrophysiology. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 651(2018).
  29. Dedoncker, J., Brunoni, A. R., Baeken, C., Vanderhasselt, M. A. The effect of the interval-between-sessions on prefrontal transcranial direct current stimulation (tDCS) on cognitive outcomes: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neural Transmission. 123, 1159-1172 (2016).
  30. Sarkis, R. A., Kaur, N., Camprodon, J. A. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS): Modulation of Executive Function in Health and Disease. Current Behavioral Neuroscience Reports. 1, 74-85 (2014).
  31. Mitra, S., Mehta, U. M., Binukumar, B., Venkatasubramanian, G., Thirthalli, J. Statistical power estimation in non-invasive brain stimulation studies and its clinical implications: An exploratory study of the meta-analyses. Asian Journal of Psychiatry. 44, 29-34 (2019).
  32. Faul, F., Erdfelder, E., Lang, A. G., Buchner, A. G*Power 3: A flexible statistical power analysis program for the social, behavioral, and biomedical sciences. Behavior Research Methods (Psychonomic Society Inc.). , 175-191 (2007).
  33. Coffman, B. A., Clark, V. P., Parasuraman, R. Battery powered thought: Enhancement of attention, learning, and memory in healthy adults using transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 85, 895-908 (2014).
  34. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128, 1774-1809 (2017).
  35. Mayer, J. D., Gaschke, Y. N. The experience and meta-experience of mood. Journal of Personality and Social Psychology. 55, 102-111 (1988).
  36. Berryhill, M. E., Wencil, E. B., Branch Coslett, H., Olson, I. R. A. A selective working memory impairment after transcranial direct current stimulation to the right parietal lobe. Neuroscience Letters. 479, 312-316 (2010).
  37. Berryhill, M. E., Jones, K. T. tDCS selectively improves working memory in older adults with more education. Neuroscience Letters. 521, 148-151 (2012).
  38. Živanović, M., et al. The Effects of Offline and Online Prefrontal vs Parietal Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) on Verbal and Spatial Working Memory. Neurobiology of Learning and Memory. 179, 107398(2021).
  39. Bjekić, J., et al. The immediate and delayed effects of single tDCS session over posterior parietal cortex on face-word associative memory. Behavioural Brain Research. 366, 88-95 (2019).
  40. Bjekić, J., Čolić, V. M., Živanović, M., Milanović, D. S., Filipović, R. S. Transcranial direct current stimulation (tDCS) over parietal cortex improves associative memory. Neurobiology of Learning and Memory. 157, 114-120 (2019).
  41. Lee, C., Jung, Y. J., Lee, S. J., Im, C. H. COMETS2: An advanced MATLAB toolbox for the numerical analysis of electric fields generated by transcranial direct current stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 277, 56-62 (2017).
  42. Berryhill, M. E. Hits and misses: leveraging tDCS to advance cognitive research. Frontiers in Psychology. 5, (2014).
  43. Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clinical EEG and Neuroscience. 43, 192-199 (2012).
  44. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. , 2744(2011).
  45. Reinhart, R. M. G., Cosman, J. D., Fukuda, K., Woodman, G. F. Using transcranial direct-current stimulation (tDCS) to understand cognitive processing. Attention, Perception, & Psychophysics. 79, 3-23 (2017).
  46. Santarnecchi, E., et al. Enhancing cognition using transcranial electrical stimulation. Current Opinion in Behavioral Sciences. 4, 171-178 (2015).
  47. Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127, 1031-1048 (2016).
  48. Imburgio, M. J., Orr, J. M. Effects of prefrontal tDCS on executive function: Methodological considerations revealed by meta-analysis. Neuropsychologia. 117, 156-166 (2018).
  49. Lally, N., Nord, C. L., Walsh, V., Roiser, J. P. Does excitatory fronto-extracerebral tDCS lead to improved working memory performance. F1000Research. 2, (2013).
  50. Nozari, N., Woodard, K., Thompson-Schill, S. L. Consequences of cathodal stimulation for behavior: When does it help and when does it hurt performance. PLoS One. 9, (2014).
  51. Hoebeke, Y., Desmedt, O., Özçimen, B., Heeren, A. The impact of transcranial Direct Current stimulation on rumination: A systematic review of the sham-controlled studies in healthy and clinical samples. Comprehensive Psychiatry. 106, 152226(2021).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Anodalna tDCSpamięć operacyjnapamięć asocjacyjnatylna kora ciemieniowagrzbietowo-boczna kora przedczołowaoscylacyjna tDCSmontaż elektrodneuronauka poznawcza
Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) w celu poprawy pamięci
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.