W odniesieniu do nowoczesnych metod stymulacji mózgu i technik neuroobrazowania, przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) jest najodpowiedniją metodą wykazania związku przyczynowego między interesującym obszarem a funkcją poznawczą, w porównaniu do technik neuroobrazowania, takich jak elektroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia czy funkcjonalna rezonans magnetyczny (fMRI)1,2,3,4. Stymulacja pozwala badaczom nie tylko obserwować zaangażowanie regionów mózgu w określonych zadaniach, ale także na nie wpływać. Dodatkowo, tego typu technika jest wystarczająca do precyzyjnej stymulacji mózgu, co pozwala na lepszą kontrolę warunków eksperymentalnych. Większość wcześniejszych badań stosowała offline TMS, stymulując mózg przez określony czas przed zadaniem, aby wywołać długotrwałe efekty stymulacji. Jednak obecny poziom rozwoju technologicznego umożliwia stosowanie nie tylko offline TMS, ale także online powtarzalnego TMS (rTMS), zapewniając stymulację dokładnie w momencie, gdy uczestnik wykonuje zadanie. Online TMS zapewnia krótkotrwałe efekty stymulacji w porównaniu do efektów offline TMS (czyli 15-minutowego efektu stymulacji po 15 minutach 1 Hz offline rTMS 5,6 w porównaniu do zaledwie kilkuset milisekund do kilku sekund efektu online rTMS 6,7,8). Dlatego w przeciwieństwie do offline TMS, technika TMS online może być używana jako narzędzie neurochronometrii ze względu na rozdzielczość czasową. Daje to możliwość uzyskania ważnych informacji o regionalnej dynamice różnych procesów poznawczych oraz zbadania dokładnego momentu, w którym proces poznawczy przesuwa grupę impulsów wokół początku bodźca. Internetowe rTMS sprawia, że nieuniknione jest wezwanie do przejścia z badań nad stymulacją offline do online.
Dwa obszary mózgu były przedmiotem zainteresowania tego badania: dlPFC [MNI: -24, 5, 47]9 oraz dmPFC [MNI: 2, 48, 36]10. dmPFC to mózgowy korelatan dysonansu poznawczego, dobrze zbadany zarówno za pomocą neuroobrazowania, jak i stymulacji 10,11,12,13,14,15. Pierwsze odkrycia dotyczące mechanizmów neuronalnych dysonansu poznawczego pochodziły z badań fMRI, które ujawniły pobudzenie dmPFC w różnych paradygmatach, wykorzystując efekt niespójności poznawczej 11,16,17. Jednak związek przyczynowy między rozwiązywaniem konfliktów wewnętrznych a dmPFC został ustalone dopiero wtedy, gdy badania TMS i tDCS zostały przeprowadzone w dziedzinie dysonansu poznawczego10,13. Biorąc pod uwagę funkcje dlPFC, wcześniejsze badania neuroobrazowe i stymulacyjne łączyły aktywację lewego czoła ze zmianą preferencji po decyzji, co również wskazuje na ważną rolę dlPFC w redukcji dysonansu poznawczego 9,11,16,18,19,20,21,22 . Znaczna część badań zakłada, że lewa dlPFC uczestniczy w rozwiązywaniu konfliktów w postdecyzyjnej zmianie preferencji 11,16,18,19.
Aby stymulować dLPFC i dmPFC, zaleca się precyzyjniejszą i skuteczniejszą metodę powtarzalnej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej z wykorzystaniem neuronawigacji i robotycznych systemów TMS, która będzie celować w dlPFC i dmPFC podczas zadania eksperymentalnego. System nawigacji wspomagany MRI zapewnia dokładną stymulację docelowego obszaru mózgu. Pozwala robotowi TMS regulować pozycję ramienia robotycznego zgodnie z mikroruchami głowy uczestnika podczas eksperymentu. Główną zaletą jest maksymalizacja efektu rTMS dzięki precyzyjniejszej stymulacji w określonym okresie podczas procedury eksperymentalnej, kontrolującej jej początek i koniec, opierając się na rozpoczęciu i przesunięciu bodźca. Ta metoda może stymulować obszary mózgu, zmniejszając pomoc eksperymentatora podczas eksperymentu, a tym samym minimalizując wpływ obecności eksperymentatora na wyniki uczestnika podczas zadania. Protokół ten może być również stosowany w innych obszarach mózgu i zadaniach eksperymentalnych. Na koniec, rTMS został połączony z protokołem stymulacji online, który umożliwił przetestowanie hipotezy badawczej dotyczącej neurochronometrii dysonansu poznawczego oraz funkcji powiązanych regionów mózgu, takich jak dlPFC i dmPFC. Jednym z ważnych elementów badań nad dysonansem poznawczym jest rozpowszechnianie alternatyw23. Jest spowodowana zmianą preferencji wywołaną wyborem, która zachodzi, gdy jednostki muszą podjąć trudny wybór między opcjami, które są preferowane niemal jednakowo. Tak trudny wybór prowadzi do niespójności postaw danej osoby, wywołując dysonans poznawczy. Aby zmniejszyć dysonans poznawczy, należy zmienić preferencje, zwiększając preferencje dla wybranej opcji i zmniejszając preferencje dla odrzuconej opcji, czyli tzw. rozprzestrzenianie się alternatyw. Ważne pytanie dotyczy dokładnego momentu zmiany preferencji, czy następuje ona podczas samego procesu decyzyjnego, czy też pojawia się w wyniku dokonanego wyboru. Badanie tego problemu staje się możliwe dzięki rozwojowi technologii takiej jak TMS, która nie tylko umożliwia obserwację procesów decyzyjnych na poziomie fMRI czy EEG, ale także bezpośrednio wpływa na aktywność kory w obszarach docelowych. Dalsze badania neurochronometrii dysonansu poznawczego pomogą zrozumieć, kiedy faktycznie zachodzi zmiana preferencji wywołana wyborem. W związku z tym celem badanie TMS dotyczące ról dlPFC i dmPFC w rozprzestrzenianiu się alternatyw po trudnej decyzji mogłoby wnieść cenny wkład w zrozumienie mechanizmów neuronalnych dysonansu poznawczego oraz wyjaśnić czas wyboru. Stosując stymulację online zamiast offline, można rozróżnić rzeczywisty moment, w którym rozprzestrzenia się alternatywy w sieciach dmFPC i dlPFC.
Dalej opisany protokół rTMS do hamowania aktywacji dlPFC i dmPFC musi być stosowany przy użyciu systemu neuronawigacyjnego prowadzonego przez MRI, stymulatora magnetycznego oraz ramienia robotycznego. Zastosowano systemy neuronawigacji i TMS. System nawigacji wspomagany MRI zapewnia precyzyjną stymulację docelowego obszaru mózgu, pozwalając ramieniu robotycznemu dostosować swoją pozycję zgodnie z mikroruchami głowy uczestnika podczas eksperymentu. W tym celu wszystkim uczestnikom badania należy zapewnić neuroanatomiczny rezonans magnetyczny. System nawigacyjny wymaga specjalistycznego zestawu urządzeń, takich jak lokalizator referencyjny do lokalizacji głowy uczestnika, płytka kalibracyjna do śledzenia cewki, wskaźnik do ustawiania grupy punktów orientacyjnych oraz kamera na podczerwień do śledzenia obiektów w przestrzeni kosmicznej. Cały sprzęt, z wyjątkiem kamery, posiada srebrne kule referencyjne odbijające zidentyfikowane przez system nawigacyjny, który wykorzystuje kamerę do lokalizacji współrzędnych głowy uczestnika oraz sprzętu TMS podczas procedury i eksperymentu. Osłona referencyjnych kul jest dość delikatna i nie powinna być dotykana, aby zapobiec uszkodzeniom. Aby skutecznie współpracować z systemem nawigacji wspomaganej MRI, należy wykonać kilka procedur: kalibrację cewek i ramion robotycznego, przygotowanie indywidualnego badania MRI oraz rejestrację pacjenta.
Hipoteza była, że nie będzie istotnej zmiany preferencji dla bloków stymulacji dlPFC i dmPFC w porównaniu do bloków wierzchołków kontrolnych i stymulacji pozornej, ponieważ hamowanie aktywacji lewego dlPFC lub dmPFC powinno zapobiegać redukcji dysonansu poznawczego i następującej zmianie preferencji.
Pomimo ostatnich postępów w wprowadzaniu interwencji online z rTMS, które otworzyły możliwości badania dynamiki czasowej aktywności mózgu przyczynowo powiązanej z procesami poznawczymi 24,25,26, dziedzina ta nadal napotyka wyzwania w stosowaniu precyzyjnej i powtarzalnej stymulacji, zwłaszcza podczas złożonych zadań poznawczych. Niniejsze badanie wprowadza nowatorskie zastosowanie neuronawigacji i systemów robotycznych w internetowym protokole rTMS, aby sprostać tym wyzwaniom. Integrując wykorzystanie strukturalnych danych mózgowych (oraz zachęcając do dalszego wykorzystania funkcjonalnych danych mózgowych) oraz precyzyjne pozycjonowanie robotyczne, metoda ta znacząco zwiększa dokładność i spójność dostarczania rTMS do dlPFC i dmPFC, obszarów znanych jako kluczowe w dysonansu poznawczym i podejmowaniu decyzji27,28. Wcześniejsze badania w dużej mierze wykorzystywały offline TMS 10,29,30, ograniczając zrozumienie natychmiastowych reakcji nerwowych podczas zadań poznawczych. Ponadto, choć wcześniejsze badania potwierdziły udział dmPFC i dlPFC w dysonans poznawczym zarówno poprzez obrazowanie, jak i stymulację offline 9,10,13, dokładny moment i rola tych aktywacji podczas dysonansu poznawczego pozostają słabo poznane. Tutaj internetowy rTMS jest wykorzystywany do wypełnienia tej luki, badając neurochronometrię zmian preferencji wywołanych wyborem, dostarczając wglądu w dokładne momenty, w których występuje i zostaje rozwiązana dysonans poznawczy. To badanie wyróżnia się zastosowaniem blokowanego projektu wewnątrz uczestnika, który testuje efekty stymulacji i stymulacji dlPFC oraz dmPFC w dwóch warunkach kontrolnych, aby wzmocnić wiarygodność wyników w tej samej próbie i w tym samym czasie, co rzadko się zdarza (stosuje się protokoły między uczestnikami lub dwie sesje z tymi samymi uczestnikami; oba zwiększają zmienność wyników). Podsumowując, badania te dostarczają innowacji metodologicznej, która zwiększa precyzję i zastosowanie rTMS w neuronauce poznawczej. Poprzez bezpośredni wpływ na obszary mózgu podczas wykonywania zadań oraz obserwowanie natychmiastowych rezultatów w tej samej próbie, badanie to nie tylko rozwiązuje istotne luki w literaturze, ale także przygotowuje grunt pod przyszłe badania nad neuronalnymi podstawami złożonych procesów poznawczych.
Zadanie eksperymentalne:
Bodźce:
Bodźce zostały starannie przygotowane, korzystając z zaleceń wskazanych w oryginalnym artykule Izumy i współpracowników10. Bodźce eksperymentalne składają się z 96 obrazów abstrakcyjnych (Rysunek 1) sparowanych według następujących kryteriów: 1) wszystkie obrazy powinny być podobne, aby umożliwić niewykrycie manipulacji przełącznikiem używanej w zadaniu Choice; 2) Wszystkie obrazy powinny być stosunkowo odrębne, aby umożliwić świadomy wybór między obrazami i zapobiec przypadkowemu wyborowi z powodu braku zauważalnych różnic między obrazami10 Ponadto, aby być zgodnym z kryteriami wyboru bodźców i dopasowania ich w pary użytych w oryginalnym badaniu10, bodźce przedstawione w pierwotnym badaniu i udostępnione przez autorów zostały przeanalizowane. Bodźce do artykułu zostały wybrane spośród darmowych zdjęć stockowych z domeny publicznej, używając słów kluczowych z kryteriów. Według autorów, zdjęcia zostały dopasowane na podstawie osobistych wrażeń. Zastosowano tę samą zasadę, a podczas odprawy uczestnicy zostali zapytani, czy uznają zdjęcia w parach za podobne i rozróżnialne. Wstępna weryfikacja bodźców nie została przeprowadzona, ponieważ nie oczekiwano od uczestników ich uszeregowania w określony sposób, jak to ma miejsce np. w przypadku bodźców afektywnych. Jednak przyszli badacze muszą bardziej zagłębić się w możliwości weryfikacji bodźców w tych samych lub podobnych paradygmatach.
Jednym z powodów, dla których podobne abstrakcyjne obrazy zostały wybrane jako bodźce eksperymentalne, a nie znaczące, oryginalne postawy, jest to, że pierwotna postawa jest szczególnie silna i centralna. Wymaga to dużej istotności i wcześniejszego zaangażowania, więc zmiana nastawienia jest mało prawdopodobna. Zgodnie z tą ważną cechą postawy, zmiana silnych postaw w laboratorium będzie trudna. Co więcej, eksperymenty bez tak silnych postaw mają większe ryzyko wystąpienia dysonansu poznawczego.
Procedura behawioralna:
To badanie projektowania wewnątrz uczestnika opiera się na przyjętej metodzie z badania Izumy i współpracowników10, którzy zastosowali zmodyfikowany paradygmat wolnego wyboru przy użyciu procedury "ślepoty wyborczej"31,32, gdzie osoby mają tendencję do przekonania, że wybrały przedmiot, który faktycznie wolą mniej niż alternatywę.
Podczas eksperymentu uczestnicy wykonali 4 następujące zadania w ustalonej kolejności: (1) pierwsze zadanie oceniania, (2) zadanie wyboru, (3) drugie zadanie oceny oraz (4) zadanie pamięci (rysunek 2). W pierwszym zadaniu Ocena uczestnicy musieli ocenić, jak bardzo podobały im się wszystkie 96 obrazów, używając 8-punktowej skali Likerta bez ograniczenia czasowego33. Następnie podczas zadania Wybór prezentuje się im 48 par obrazów, muszą wybrać jeden z obrazów z każdej pary, klikając na odpowiadający im prostokąt obok obrazu, wykonać zadanie Flanker34, a następnie potwierdzić wybór, klikając na obraz. Zadanie Flanker składa się z sekwencji 7 strzałek skierowanych w lewo lub prawo, losowo, aby uzyskać rzeczywiste losowe kierunki dla wszystkich strzałek. Uczestnicy zostali poinstruowani, aby jak najszybciej określić kierunek strzałki centralnej i nacisnąć odpowiadający im przycisk klawiatury. Zadanie Flanker ma na celu odwrócenie uwagi uczestnika poprzez kliknięcie prostokąta zamiast zdjęcia na pierwszym etapie wyboru.
Zadanie Choice obejmuje trzy warunki eksperymentalne (Rysunek 2): próby zmiany (16 par), próby bez zmiany (16 par) oraz próby komputerowe (16 par). Wszystkie 48 par było ustalonych wśród uczestników, ale zaprogramowany skrypt decydował, do jakiego stanu przydzielono każdej pary, na podstawie różnic w ocenach obrazów w obrębie każdej pary.
Gdy uczestnicy wybierają obraz podczas prób zmiany, obrazy zmieniają pozycje po zadaniu Flanker, tak że górny obraz pojawia się na dole, a dolny tam, gdzie znajdował się górny obraz. Próby zmiany pozwalają kontrolować artefakt preferencji35. Zakładano, że uczestnicy nie zauważyli tego zastąpienia, ponieważ obrazy abstrakcyjne są podobne. Zadanie Flankera ma również na celu odwrócenie uwagi od zastępowania obrazów. Dodatkowo uczestnikom przydzielono tylko 3 sekundy na podjęcie decyzji, zanim obrazy znikną, choć odpowiedzi oparte na pamięci pozostają możliwe po tym czasie. Ten warunek nie dotyczy badań bez zmiany, gdzie uczestnicy muszą sami potwierdzić swój wybór. Podczas prób komputerowych wybór jest prezentowany przez komputer, a uczestnicy muszą go tylko przestrzegać. Obraz wybrany przez komputer jest definiowany na podstawie wyboru uczestnika w poprzednim testie zmiany, tzn. jeśli uczestnik wybrał obraz z niższą oceną w próbie zmiany, komputer "wybiera" także obraz z niższą oceną. Jednak jeśli uczestnik wybrał obraz z wyższą oceną w próbie zmiany, komputer "wybiera" obraz z najwyższą oceną. Warunek wyboru komputerowego był używany jako warunek kontrolny, zakładając, że efekt zmiany preferencji nie będzie obecny, ponieważ uczestnicy nie doświadczyliby agencji wyboru10.
Pary były prezentowane w określonej kolejności: pary bez zmiany zawsze prezentowane są w 1., 2., 5., 8., 11., 16., 17., 20., 22., 28., 31., 33., 39., 42., 43. i 47. próbie, pary warunków zmiany zawsze prezentowane są w 3., 6., 9., 12., 14., 18., 21., 24., 29., 32., 35., 37., 40., 44., oraz 46. próby, podczas gdy pary warunków komputerowych zawsze występują w 4., 7., 10., 13., 15., 19., 23., 25., 30., 34., 36., 38., 41., 45. i 48. próbie, które odbywają się krótko po próbach zmiany. Powodem stosowania takiej sekwencji jest fakt, że wybór komputera automatycznie naśladuje poprzedni wybór uczestnika.
Podczas drugiego zadania Oceny uczestnicy muszą ponownie ocenić te same 96 obrazów, ale z przypomnieniami o swoim poprzednim wyborze podczas zadania Wybor. Każdemu obrazowi towarzyszy przypomnienie, czy to uczestnik lub komputer wybrał ten obraz ("Wybrałeś ten obraz" lub "Вы выбрали эту картинку" po rosyjsku / "Nie wybrałeś tego obrazu" lub "Вы не выбрали эту к артинку" po rosyjsku / "Komputer wybrał ten obraz" lub "Компьютер выбрал эту картинку" / "Komputer nie wybrał tego obrazu" lub "Компьютер не в ыбрал эту картинку" po rosyjsku).
Aby umożliwić stymulację różnych obszarów mózgu podczas zadania Drugiego Ocenowania, zdecydowano się podzielić je na 4 bloki: lewy dlPFC, dmPFC, wierzchołek oraz stymulację sham-dlPFC. Za obszary mózgu najbardziej interesujące dla badania wybrano dlPFC i dmPFC, a stymulację sham-dlPFC i wierzchołek jako warunki kontrolne36. Obszar docelowy stymulacji lewego dlPFC został zdefiniowany na podstawie wyników fMRI9 Voigta i współpracowników z następującymi współrzędnymi [MNI: −24, 5, 47], ponieważ znaleźli względną aktywację lewego dlPFC dla bardzo podobnego zadania i paradygmatu. Współrzędne dmPFC zostały zdefiniowane na podstawie badania Izumy i współpracowników10 [MNI: 2, 48, 36].
Dla wszystkich bloków stymulacji zastosowano online rTMS o częstotliwości 20 Hz przez 1000 ms od początku bodźca. Każdy blok stymulacyjny zawiera 12 par bodźców i ma około 2 minuty blokowych interwałów, aby zmienić pozycję cewki stymulacyjnej i zapewnić bezpieczny okres zgodnie z wytycznymi bezpieczeństwa stymulacji37,38. Dodatkowo, jeśli zadanie Pierwszej Oceny nie miało ograniczeń czasowych, zadanie Drugiej Rangi miało kilka ograniczeń czasowych, a każda próba trwała od 11 do 13 sekund. Przede wszystkim bodziec był prezentowany tylko przez 1 sekundę, jednocześnie stosując rTMS przez całą sekundę, aby objąć wszystkie sugerowane punkty początkowe aktywacji dlPFC i dmPFC. Uczestnicy mieli 4 sekundy, aby ocenić obraz przy użyciu tej samej 8-punktowej skali Likerta33 (od początku bodźca, plus 3 sekundy później). Następnie krzyż fiksacyjny był prezentowany w drganiu przez 7 do 9 sekund, aby zapobiec przyzwyczajeniu się uczestników do czasu pojawienia się bodźca oraz zapewnić bezpieczny interwał między badaniami37,38. Po ukończeniu każdego bloku stymulacji uczestnicy wypełniali kwestionariusz dotyczący komfortu stymulacji podczas tego bloku.
Po ukończeniu zadania Drugiego Oceny, uczestnicy wykonują także zadanie nieoczekiwanej pamięci, próbując przypomnieć sobie, czy wybrali czy odrzucili te same obrazy podczas zadania Wybór (próby komputerowe nie są uwzględniane, ponieważ nie odzwierciedlają wyboru uczestników). Wypełniają także kwestionariusz PANAS39, Skalę Preferencji dla Spójności40 oraz krótki wywiad poeksperymentalny, aby upewnić się, że uczestnicy nie zauważą manipulacji swoim wyborem podczas prób zmiany zadania Wyboru.
Zadanie zastosowane w tym badaniu zostało specjalnie zaprojektowane, by wywołać dysonans poznawczy poprzez wymuszanie od uczestników wyboru między podobnie preferowanymi opcjami, co powoduje niespójność preferencji i postaw, będącą cechą charakterystyczną dysonansu poznawczego10. Zadanie obejmuje wybór i drugie zadanie oceniania, które pozwala rozplątać hipotezy dotyczące czasu dysonansu poznawczego: czy pojawia się ona już podczas wyboru, czy podczas ponownego stawiania czoła tym samym alternatywom. To zadanie aktywuje korę przedczołową grzbietowo-boczną i grzbietową, obszary zaangażowane w podejmowanie decyzji i rozwiązywanie dysonansu. Dzięki wykorzystaniu online rTMS badanie nie tylko obniża te obszary, wywołując efekt utrzymujący się we wszystkich zadaniach, ale także precyzyjnie celuje w aktywność neuronalną związaną z reewaluacją opcji (drugie zadanie oceniania). Ten protokół, wraz z wybranym paradygmatem zadania, jest najefektywniejszym połączeniem, które pozwala dalszym badaniom porównywać wpływ stymulacji podczas wyboru opcji i drugiego zadania oceniania, precyzyjnie określając dynamikę czasową mechanizmu zmiany preferencji. Specyfika tego eksperymentalnego projektu, w połączeniu z precyzją czasową online rTMS, oferuje unikalną i potężną metodologię analizowania neuronalnych podstaw i cech czasowych dysonansu poznawczego w podejmowaniu decyzji.