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Behavior

Cognition moduler l'aide transcrânienne à courant de stimulation du cervelet

Published: February 15, 2015 doi: 10.3791/52302
Automatic Translation
1
1School of Psychology, University of Birmingham

Abstract

De nombreuses études ont émergé récemment qui démontrent la possibilité de moduler, et dans certains cas améliorer, les processus cognitifs belles régions du cerveau impliquées dans la mémoire et l'attention de travail en utilisant la stimulation électrique du cerveau transcrânienne. Certains chercheurs croient maintenant le cervelet soutient la cognition, éventuellement via un effet neuromodulateur à distance sur le cortex préfrontal. Cet article décrit une procédure d'enquête un rôle pour le cervelet dans la cognition utilisant stimulation transcrânienne à courant continu (STCC), et une sélection de tâches de traitement de l'information variant difficulté de la tâche, qui ont été présentés précédemment pour impliquer la mémoire de travail, l'attention et le fonctionnement du cervelet . Une tâche se appelle l'Auditory Serial Addition Groupe rythmé (de PASAT) et l'autre un roman variante de cette tâche appelé auditif série Groupe Soustraction rythmé (de PASST). Une tâche de génération verbe et ses deux contrôles (nominaux et de lecture verbe) ont également été étudiés. Tous les cinq tdemande ont été réalisées par trois groupes distincts de participants, avant et après la modulation de la connectivité cortico-cérébelleux utilisant anodique, cathodique ou STCC faux sur le cortex cérébelleux droit. La procédure montre comment la performance (précision, la latence de réponse verbale et la variabilité) pourraient être améliorées de manière sélective après stimulation cathodique, mais seulement lors de tâches que les participants ont évalué aussi difficile, et pas facile. La performance a été inchangée par anodique ou la stimulation imposture. Ces résultats démontrent le rôle du cervelet dans la cognition, de sorte que l'activité dans le cortex préfrontal gauche est susceptible dis-inhibée par STCC cathodiques sur le cortex cérébelleux droit. Stimulation cérébrale transcrânienne gagne en popularité dans divers laboratoires et les cliniques. Cependant, les séquelles de STCC sont incompatibles entre les individus et pas toujours spécifiques à la polarité, et peuvent même être task- ou spécifique à la charge, qui nécessite une étude plus approfondie. Les efforts futurs pourraient également être guidés vers neuro-enhancement chez les patients présentant des troubles cérébelleux cognitive fois une meilleure compréhension des mécanismes de stimulation du cerveau a émergé.

Introduction

L'électricité a été utilisé en médecine depuis plus de 100 ans. Aujourd'hui, la stimulation cérébrale est de plus en plus fréquemment utilisé dans divers laboratoires et des cliniques comme un outil de recherche pour tester des hypothèses sur la façon dont les fonctions motrices et cognitives sont exécutées par le cerveau et le cervelet, et comment les connexions entre ces deux régions du cerveau en charge ces fonctions. En ce qui concerne le cervelet, ce est en partie parce que les hémisphères cérébelleux latérales, qui sont pensés pour être impliqués dans la cognition (voir ci-dessous), sont accessibles à une stimulation électrique transcrânienne, sont sensibles aux effets des courants de polarisation, et parce que la procédure est relativement peu coûteux et facile à réaliser chez les participants humains. La procédure de stimulation cérébrale décrite dans le présent article montre comment les processus cognitifs tels que la mémoire de travail et l'attention peuvent être facilitées lors de tâches qui sont «plus» plutôt que «moins» exigeant une cognitif. Le interpréteration de ces résultats spécifiques à la tâche, sont fermement contraint par une compréhension de la physiologie de la voie cérébro-cérébelleuse. Neuro effets d'amélioration, même lorsque les tâches sont difficiles, sont également observées après stimulation électrique du 2,3,4,5 du cortex préfrontal.

Le cervelet joue un rôle important dans la prédiction, le calendrier et l'exécution de mouvements 6. Cependant, différents axes de recherche suggèrent maintenant que le cervelet peut influer sur les processus cognitifs. Dans le domaine anatomique, par exemple, de nombreuses études ont suggéré que les connexions réciproques entre les régions du cortex préfrontal et le cervelet (ie, la voie cérébro-cérébelleuse) pourraient soutenir la cognition 7,8,9,10,11,12. Dans le domaine clinique, certains patients atteints de lésions à des parties spécifiques du cervelet postérieure présentent des problèmes intellectuels et affectifs dont les symptômes sont conceptualisés dans l'hypothèse 'dysmétrie de la pensée », etcliniquement appelé le «syndrome cérébelleux affective cognitive (CCAS), tandis que ceux avec dommages aux parties antérieure du cervelet, présentent des déficiences motrices (par exemple, ataxie) et considéré comme« dysmétrie de mouvement '13,14,15. Dans le domaine de l'imagerie cérébrale, Schmahmann et ses collègues 16,17 ont utilisé l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et la connectivité fonctionnelle pour cartographier les régions spécifiques à la tâche de le cervelet et les connexions de ces zones prendre avec le lobe préfrontal lors de tâches motrices et cognitives.

Les tâches cognitives présentés dans cette étude ont été choisis parce qu'ils ont été précédemment montré pour activer régions dites non moteurs du cervelet. Mais ils nous ont aussi permis de partitionner à moteur et composants de tâches cognitives, qui a été obtenue en faisant varier le niveau de cognitive par rapport aux exigences du moteur qui sont nécessaires pour les exécuter correctement, et l'intervention d'un pr de la stimulation cérébraleocedure qui a été montré précédemment pour moduler relations cerveau et le comportement. Les récentes tentatives pour moduler le fonctionnement du cerveau et le comportement ont inclus l'utilisation de courants de polarisation à travers le cuir chevelu, appelé, la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC). En fait, les cliniciens ont été stimulant le cortex cérébelleux avec des électrodes implantées dans des populations de patients depuis les années 1970 avec des résultats encourageants thérapeutiques 18. Aujourd'hui, stimuler le cerveau à travers le cuir chevelu est réalisé pour être utile pour étudier les relations cerveau et le comportement de participants en bonne santé.

TDCS chez les humains implique normalement délivrant une basse (2.1 mA) en courant continu (DC) en continu à travers une paire d'électrodes de solution saline trempé pendant 15 à 20 min. Un montage typique d'électrodes pour stimuler le cerveau pourrait impliquer une (anodique) électrode étant placé sur la tête (plus de la région du cerveau d'intérêt), et l'autre (cathodique) électrode étant placé sur la joue (céphalique) ou l'épaule (pasn-céphalique) sur le côté opposé du corps. Dans le cas de stimuler le cervelet, le courant intracérébrale entre les deux électrodes est relativement peu répandu fonctionnelle à des régions voisines (par exemple, le cortex visuel 19) et est pensé pour exciter ou appuyer cellules de Purkinje dans le cortex cérébelleux 20, produisant à la fois neurophysiologique et comportementale changements. La propagation de courant et les effets de cérébelleuse-STCC chez les humains sont déduite des données de modélisation ou d'études animales, et des effets indirects sur le cortex moteur. Dans le domaine automobile, les effets sont également indiqués pour être précis polarité comme en témoignent les conséquences de la stimulation du cervelet sur ​​le cortex moteur excitabilité 20. Par exemple, la stimulation anodique a généralement un effet excitateur et augmente la production de cellules de Purkinje; augmenter inhibition de la voie de facilitation des noyaux cérébelleux vers le cortex cérébral, tandis que la stimulation cathodique a généralement une face de effect-à-dire, désinhibition du cortex cérébral en réduisant cellule de Purkinje inhibition des noyaux cérébelleux. Les études anatomiques chez les primates révèlent comment les cellules de Purkinje pourraient exercer un lecteur de facilitation à la fois sur le moteur et les circuits cognitifs, via un relais synaptique dans le thalamus ventral-latérale 21. Toutefois, de récentes études STCC chez l'homme suggèrent que la distinction anodique-cathodique peut ne pas être claire. Par exemple, les effets après-STCC de plus de cortex moteur sont très variables entre les individus, et ne sont pas toujours spécifiques à 22 polarité. Des critiques similaires sont également perçues vers les résultats dans le domaine cognitif 23. Cela peut aider à expliquer pourquoi les effets sur les fonctions cognitives sont plus difficiles à détecter et à interpréter que les effets directs du cervelet sur ​​les zones à moteur raison de l'inhibition cérébelleuse-encéphalique (CBI) 20. Ces observations soulignent la nécessité de mieux comprendre les facteurs individuels qui déterminent l'efficacité de cerveau stimulation, et de développer des protocoles améliorés pour stimuler le cerveau.

Changements dans les fonctions à la fois motrices et cognitives sont physiologiquement plausible par la stimulation électrique de la voie ponto-thalamo-corticale 24. En ce qui concerne les fonctions cognitives, un effet modulateur de cérébelleuse-STCC sur la mémoire de travail verbale a été rapporté 25,26. Et des effets durables sur la cognition des régions du cortex préfrontal stimulation sont également observées 2,3,4,5. Cependant, les effets physiologiques de la stimulation cérébrale sur les neurones sont différentes selon que le comportement est testé (effets sur la ligne) pendant ou après (effets hors ligne) de la période de stimulation 27. Il a été suggéré que les effets en ligne peuvent inclure des changements dans l'environnement intracellulaire (par exemple., Les concentrations d'ions) et le gradient électrochimique (par exemple, les potentiels membranaires), tandis que les effets hors ligne pourraient inclure des changements plus durables dans activi neuronalté en raison de processus intracellulaires modifiés (par exemple, la plasticité du récepteur) 27. La présente étude examine les effets hors-ligne, lequel STCC est appliquée dans entre deux sessions de tests cognitifs, et le comportement est comparé entre les deux sessions.

Examen d'un rôle pour le cervelet dans la cognition est assisté par l'utilisation de tâches qui ont été montré précédemment à impliquer fonctionnement du cervelet. Une tâche particulière implique le raisonnement arithmétique et l'attention divisée et est appelé l'Paced Auditory Serial Addition Groupe (PASAT 28). Il a été largement utilisé pour évaluer les diverses fonctions cognitives dans les deux populations en bonne santé et de patients. Le test implique généralement participants écoute aux numéros présentés toutes les 3 secondes, et en ajoutant le nombre qu'ils entendent au nombre qu'ils ont eu avant (plutôt que de donner un total cumulé). Ce est une tâche difficile et impose un degré élevé de WM, l'attention et la capacité arithmétique. Elle implique également activité dans le cerveau et le cervelet associé à ces éléments particuliers de la tâche comme l'a révélé sur le PET et IRM 29 30. Pour rendre la tâche plus difficile et cognitivement attentionally exigeants (comme l'a confirmé par d'autres dans une étude récente 31, les instructions initiales ont été modifiées afin que les participants étaient tenus de soustraire le nombre qu'ils entendent à partir du nombre qu'ils ont eu avant. Nous appelons cette nouvelle tâche, le rythme auditif série Soustraction Groupe (PASST 1), et il est plus difficile à réaliser que le PASAT comme en témoignent les évaluations subjectives de difficulté de la tâche et beaucoup plus longs temps de réaction 1. Les deux versions de la tâche ont été inclus afin que l'on était plus cognitivement difficile et exigeant attentionally à réaliser que l'autre, alors que les demandes de moteur (opérations de la parole secrète) étaient comparables entre les tâches. Si le cervelet est impliqué dans la cognition, puis perturber sa fonction avec STCC pourrait interférer avec le rôle de ce sTRUCTURE pendant l'exécution sur le PASST, mais pas nécessairement sur le PASAT.

Une autre tâche largement utilisé pour enquêter sur le rôle du cervelet lors de parole et du langage aspects de la cognition est la génération Groupe Verbe (VGT 32,33,34,35,36,37). Comme le PASAT, il a été largement utilisé pour tester la mémoire de travail verbale dans les populations en bonne santé et de patients. Fondamentalement, le VGT nécessite participe à-dire à voix haute un verbe (par exemple, en voiture) en réponse à un nom présenté visuellement (par exemple, voiture), par rapport à la performance sur une tâche de service permettant aux participants de lire à haute voix les noms. Génération verbes et les noms de lecture ont des exigences perceptifs et moteurs similaires, mais différentes demandes de WM verbale (à savoir supérieure analyse sémantique). Et une plus grande activité dans un réseau cérébro-cérébelleuse est associée à la génération par rapport aux verbes lecture des noms 34,35,36. Les mots sont aussi générés plus rapidement (un effet d'amorçage) lorsque les tâches sontrépété en utilisant les mêmes mots (dans un ordre aléatoire) à travers les blocs, et l'activité augmente cérébro-cérébelleuse comme observé sur le PET 33 et 37 IRMf.

Dans cet article, une procédure est décrite pour appliquer STCC sur le cervelet pour enquêter sur un rôle pour cette structure du cerveau dans la cognition, avec deux arithmétique (expérience un) et trois tâches langagières (expérience de deux) de difficulté variable, qui trois groupes distincts de participants réalisées avant et après la période de stimulation. Nous émettons l'hypothèse, étant donné le rôle du cervelet dans la cognition, que la performance sur les tâches plus exigeantes (ce est à dire, PASST et la génération verbe) seraient plus touchés par STCC (effets hors ligne) que la performance sur les tâches moins exigeantes (PASAT et substantif / verb lecture).

Protocol

REMARQUE: Tous les participants ont donné leur consentement éclairé et l'étude a été approuvé par l'Université de Birmingham Comité d'éthique.

1. Demandez au participant de lire la fiche d'information et de remplir le screeningquestionnaire STCC (Annexe 1), et se il n'y a pas de contre-indications à STCC scène, demandez-leur de signer le formulaire de consentement.

2. Faire un essai une (des tâches de calcul) et d'expérimenter deux (tâches langagières), l'un après l'autre, afin de pseudo-aléatoire, avant (séance d'une) et après (session de deux) la période de stimulation dans une pièce calme pour réduire les distractions et permettre un enregistrement précis des temps de réponse auditive, qui sont calculées hors ligne.

3. Dans l'expérience une, présentent les stimuli auditifs (ie., Chiffres) avec un casque (Table des Matériaux / Équipement). Dans l'expérience de deux, présenter les stimuli visuels (c.-à-mots) sur un écran d'ordinateur. Dans les deux expériences, la porte Headset microphone par l'amplitude des réponses auditives des participants.
NOTE: Toutes les tâches ont été informatisées et a couru sur un ordinateur portable contrôlée par la présentation du stimulus et le logiciel d'enregistrement (Table des Matériaux / Équipement).

4. À la fin, expliquer aux participants le but de l'étude (c.-à-débriefing), et leur demander de noter la difficulté de chaque tâche sur une échelle de 1 (facile) - 10 (dur). En outre, expliquer aux participants de ne pas prendre part à une autre expérience de la stimulation cérébrale pendant au moins sept jours, et de contacter l'expérimentateur se ils doivent se sentir les effets négatifs de STCC.

5. Expérience One (Tâches de calcul)

5.1) Réalisation de la Paced Auditory Serial Addition Groupe

NOTE: Le PASAT est livré dans un sec 3 et une version 2 sec.

  1. Utilisez les 60 éléments chacune contenus dans les versions 3 sec et 2 sec pour la tâche d'addition et la tâche de soustraction, respectivement. E plusminerai, utilisez les éléments de la PASAT-Form A avant la période de stimulation (de séance d'une), et les articles sur le PASAT-forme B, après la période de stimulation (de session de deux).
    REMARQUE: Chariot l'ordre dans lequel les participants exécutent la PASAT et PASST, de sorte que la performance sur une tâche ne transfère pas à l'autre.
  2. Asseyez-vous le participant devant l'écran d'ordinateur et de leur expliquer qu'ils vont entendre une série de chiffres dans le casque, et qu'ils seront tenus d'ajouter le nombre qu'ils entendent au nombre qu'ils ont entendu immédiatement avant, puis vocaliser la réponse, et continuer à ajouter le nombre qu'ils entendent à la précédente (et de ne pas donner un total cumulé). Positionner le microphone en face de la bouche du participant avant de démarrer la tâche.
  3. Lancer la tâche et demander au participant de lire les instructions standard qui sont présentés sur l'écran d'ordinateur, ce qui explique officiellement comment effectuer l'PASAT. Effectuerla tâche une fois que le participant a bien compris les instructions.
    REMARQUE: Un exemple écrite est également présenté. Ces instructions sont similaires à ceux de la version originale de la tâche.
  4. Au cours de la tâche, notez chaque réponse sur la feuille de pointage imprimé (Annexe 2) pour vérification ultérieure. Donnez aucun score si le participant fournit une réponse incorrecte ou ne répond pas. Veiller à ce que les stimuli sont audibles afin que la tâche peut être suivie (alternativement présenter l'expérience par le biais des haut-parleurs), et marquer chaque réponse correcte à son tour.
  5. Dites aux participants de ne pas parler et / ou effectuer des calculs oraux (ou utiliser les doigts pour aider la performance) au cours de la tâche et que seule la réponse devrait être prononcé à voix haute.

5.2) Réalisation de la Paced Auditory Serial Groupe de soustraction

  1. Dites aux participants que les instructions pour la tâche de soustraction (Passt) sont les mêmes pour la tâche d'addition (PASAT), sauf que cette fois ils sontnécessaire pour soustraire le nombre qu'ils entendent à partir du nombre qu'ils ont entendu immédiatement avant, puis vocaliser la réponse, et de continuer à soustraire le nombre qu'ils entendent de celui immédiatement avant (et non pour donner un total de fonctionnement). Encore une fois, assurez-vous que le microphone ne est pas éloigné de la bouche du participant.
  2. Une fois que le participant a lu les instructions qui leur sont présentés sur l'écran de l'ordinateur liés à la tâche de soustraction, et entièrement les comprendre - effectuer la tâche. Encore une fois, rappeler aux participants de ne pas effectuer des calculs par voie orale ou à l'aide des doigts.

5.3) perforation sessions pratiques (PASAT ET PASST)

NOTE: Une séance d'essais est effectuée par chaque participant avant l'exécution de chaque tâche dans une expérience pour déterminer la vitesse à laquelle les participants peuvent effectuer les tâches dans une certaine limite pour éviter les effets de plafond. Atteindre cet objectif en incluant 45 articles au cours de pPRATIQUE (contrairement aux 10 articles originaux).

  1. Expliquer au participant qu'ils vont effectuer le PASAT et / ou l'PASST (en fonction de la tâche qui doit être exécutée en premier) comme décrit ci-dessus. Au cours de la séance d'essais seulement, augmenter le taux des éléments auditifs de présentation en réduisant l'intervalle inter-stimulus de 300 ms après chaque bloc de cinq éléments, entre la plage d'intervalle de 4.2 à 1.8 sec.
  2. Pendant la pratique, noter le taux de présentation qui a causé le participant de faire trois erreurs consécutives (mais de leur permettre de terminer la séance d'essais), et utiliser le taux précédant ce point de coupure pendant la tâche.
  3. Sélectionnez le taux de présentation du stimulus pour chaque participant, et de maintenir ce taux entre les sessions un et deux (ie., Avant et après stimulation). Donnez au participant une courte pause entre chaque tâche (environ 30 secondes).

6. Experiement Deux (tâches linguistiques)

60,1) Exécution de la génération Groupe Verb

REMARQUE: Effectuez la lecture de nom, la génération de verbe et la tâche du verbe lire dans cet ordre (séparés par une courte pause) de sorte que les mots présentés dans la tâche du verbe lire ne le font pas amorcer une réponse plus rapide dans la tâche de génération de verbe. Chaque tâche est composée de trois mots de pratique et six blocs de 10 essais.

  1. Construire une liste de 40 noms concrets liés à outils / objets qui pourraient être manipulés avec les mains ou les pieds, et 40 verbes concrets liés à des actions réalisées avec les outils / objets à partir d'un groupe indépendant de participants prévoyant les mêmes paires nom-verbe sont générées de plus de la moitié du groupe en tant que Pape et Miall 1. Évitez paires nom-verbe qui génèrent les mêmes réponses (par exemple, le dîner-manger, pomme-manger) ou ne se rapportent pas à des actions humaines (par exemple, four-pâtisseries). Moitié présente les mots séance d'une et l'autre moitié dans la deuxième séance.
  2. Expliquer au participant qu'ils have-à-dire un verbe approprié (par exemple, en voiture) en réponse au substantif présenté (par exemple de la voiture). Clarifier cette relation nom-verbe aux participants au début de la tâche.
  3. Présenter les mots centrale sur l'écran d'ordinateur dans un ordre aléatoire différent dans des blocs 1-5 (mots répétés), et de présenter de nouveaux mots dans le bloc 6 (nouveaux mots). Assurez-vous que chaque mot est remplacé par le mot suivant lorsque le microphone détecte une réponse.
    REMARQUE: Veiller à ce que les listes de mots dans une sessions et deux sont différents, et compensés entre les participants.
  4. Lancer la tâche et demander au participant de lire les instructions standard qui sont présentés sur l'écran d'ordinateur, ce qui explique officiellement comment effectuer la tâche verbe génération.
  5. Une fois que le participant a bien compris la tâche, placez le micro devant la bouche, et leur demander de produire des mots dès qu'ils apparaissent sur l'écran d'ordinateur.
  6. Écrivez ou enregistrer chaque réponse a parlén à haute voix par le participant pour vérification ultérieure. Prenez note de toute erreur ou réponses manquées.

6.2) exécuter les tâches de lecture nom et verbe

REMARQUE: Présenter les mots de la même manière que dans la tâche de génération verbe. Les participants ont lu les noms dans la tâche nom de lecture, et les verbes dans la tâche de lecture verbe.

  1. Pour les deux tâches de lecture, demander au participant de lire à haute voix chaque mot dès qu'il apparaît sur l'écran de l'ordinateur.
  2. Vérifiez que le participant a lu chaque mot correctement pendant les deux tâches de lecture en regardant l'écran que les mots sont lus à haute voix.
    REMARQUE: Assurez-vous que la position du microphone n'a pas bougé de la bouche du participant entre les tâches.

7. Effectuer cérébelleuse STCC

REMARQUE: TDCS est considéré comme sûr à utiliser chez l'homme. Cependant, le chercheur administration STCC dans cette étude était un secouriste. Il est advsusceptible ISA qu'un secouriste est à portée de main lors de l'exécution STCC, pour se assurer que la sécurité des participants ne est pas compromise se ils se sentent mal / faible pendant la procédure. Ne laissez jamais sans surveillance un participant lors de l'administration STCC.

  1. Prétrempage deux électrodes en éponge (surface spécifique = 25 cm 2) dans une solution saline de NaCl à 0,9% étalon jusqu'à ce qu'ils soient saturés.
  2. Pour administrer excitateur (anodique) la stimulation sur le cortex cérébelleux droit, placer l'électrode rouge, 1 cm de moins, et 4 cm à droite de la projection la plus importante de l'os occipital (inion).
    NOTE: Cette position latérale sur le cuir chevelu se rapproche de l'emplacement de cérébelleuse lobule VII.
  3. Pour compléter le montage d'électrode, placer la référence ou une électrode cathodique (bleu) sur l'épaule droite sur le muscle deltoïde.
  4. Pour administrer inhibitrice (cathodique) stimulation, répétez la procédure ci-dessus et placer les deux électrodes éponge dans l'autre sens (ce est à dire,placer l'électrode bleu sur la tête et l'électrode rouge sur l'épaule).
  5. Pour administrer STCC Sham, délivrer une stimulation de pseudo (par exemple, 110 uA plus de 15 ms, 550 ms chaque) pendant 20 min à la place du courant de stimulation. Positionner les deux électrodes de la même façon que ci-dessus, mais contrebalancer la position des électrodes rouge et bleu entre les participants dans le groupe témoin.
  6. Fixez les électrodes humides fermement à la tête et le bras avec des lanières de caoutchouc ou auto-adhésif enveloppement. Mettre un peu de serviette en papier autour de l'arrière du cou du participant pour éponger dégoulinant solution saline.
    REMARQUE: Vérifiez que la position prévue des électrodes n'a pas bougé après qu'ils ont été obtenus. Pour assurer l'interface électrode-peau optimale, assurez-vous que les électrodes sont placées à plat sur le cuir chevelu, et non sur les cheveux.
  7. L'apparition et le décalage de chaque augmentation de la stimulation d'intervention et une diminution, respectivement, le courant continu d'une manière analogue à une rampe de plus de 10 sec 38,39.Réglez l'intensité de la stimulation à 2 mA et livrer pour 20 min à l'aide d'un stimulateur courant continu régulé fiable (Table des Matériaux / Équipement).
    NOTE: Cette intensité est similaire à celle utilisée par d'autres 25, et est considéré comme un niveau sécuritaire d'exposition 40, bien en dessous du seuil de causer des dommages aux tissus 41.
  8. Informer le participant se reposer / se détendre pendant la période de stimulation, et les dissuader d'utiliser des appareils électroniques, afin d'éviter l'introduction de variables de confusion qui peuvent potentiellement influencer le résultat de l'expérience.
    NOTE: Il est commun pour les participants de se sentir une sensation de démangeaison à l'une ou les deux sites d'électrodes (et / ou un goût métallique dans la bouche) lorsque le courant de stimulation commence. Rassurer les participants que ces sensations disparaissent après quelques secondes - laissant STCC inaperçu.
  9. Appliquer anodique, cathodique ou stimulation factice à trois groupes distincts de participants en pseudo ord aléatoireer (entre-participants, des échantillons indépendants). Veiller à ce que le nombre total, le sexe et l'âge moyen des participants est comparable entre les groupes comme dans Pape et Miall 1.

8. Suite à la stimulation cérébrale, répétez la PASAT (étapes 5.1-5.1.5) et le PASST (étapes 5.2-5.2.2) dans un ordre de contrepoids, et les tâches nom et verbe lecture (étapes 6.2-6.2.2) et le tâche de génération verbe (escalier 6.1-6.1.6) dans cet ordre. Effectuez une expérience (tâches de calcul) et d'expérimenter deux (tâches linguistiques) afin de pseudo-aléatoire. Ne fournit pas la pratique de chaque tâche suivante cerveau stimuation.

NOTE: Dans d'autres études de la cognition, la stimulation réelle et fictive a été appliquée à la même cohorte (intérieur-participants, des échantillons liés), séparés par une durée de wash-out d'au moins 5-7 jours 25,26. Cependant, la différenciation imposture et la stimulation réelle est plus facile à des forces de courant plus élevées 42. Cela pourrait être problématique dans un avecen participants conception, mais pas dans une conception entre-participants comme décrit ici.

Representative Results

Analyse des données

Dans l'expérience un, les résultats ont été analysés en termes de nombre de réponses correctes ou des scores de précision (exprimées en pour cent correct), et la moyenne et la variabilité (écart-type) des temps de réponse verbales des participants en utilisant des analyses de variance mixtes séparés, pour les deux tâches ( PASAT vs PASST), entre les sessions (avant vs après) et entre les groupes (anodique, cathodique ou fictive). Dans l'expérience de deux, la moyenne et la variabilité des réponses verbales des participants ont été analysés en les comparant entre le premier (bloc 1) et la dernière (Bloc 5) ensemble de mots répétés (montant total de l'apprentissage) à l'aide des analyses de variance mixtes distinctes au sein de tâche chaque (verbe génération vs vs verbe substantif lecture lecture), session (avant vs après) et le groupe (anodique, cathodique ou fictive). Les résultats de réponses incorrectes ont été exclus de toutes les analyses de données, avec des réponses qui ont été prolongée (supérieure à + 2SD de la moyenne) dans l'expérience de deux seulement.

ove_content "> Expérience One (tâches arithmétiques)

Taux de stimulation Présentation

tests t Couples de ajustés pour les comparaisons multiples ont confirmé que les relance taux de présentation spécifique des participants établis lors de la pratique ne diffèrent pas significativement entre les trois groupes (simulacre, anodique et groupes cathodiques, 2,56, 2,50 et 2,49 s, respectivement, F 2, 63 = 0,23 P = 0,79).

points alloués aux Précision

Le nombre de réponses correctes augmenté en session de deux (84,47%) par rapport à la séance d'une (76,30%), probablement en raison de la pratique (Figure 1), mais plus encore après cathodique (77,50 vs 89,32%), qu'après anodique (77,80 vs . 82,80%) ou fictive (77,81 vs 80,91%) la stimulation, tel que confirmé par une interaction session x Groupe de travail de x qui était significative avec ANOVA (F 2,63 = 4,61, P <0,05).

Figure 1
Figure 1: Précision. Scores avant et après STCC cérébelleux Le nombre de réponses correctes (signifient une SEM, n = 20) se est amélioré de manière sélective après stimulation cathodique de la session une (pré-stimulation) pour la deuxième séance (post-stimulation), beaucoup plus dans la tâche de soustraction (PASST) que dans la tâche d'addition (PASAT). Astérisques montrent des différences significatives (P <0,05) comme l'a révélé avec-des comparaisons par paires corrigées. Ce chiffre a été modifié depuis pape et Miall 1.

Temps de réponse verbales

Réponses étaient nettement plus rapide au cours de la PASAT que pendant la PASST (1372 vs 1447 ms; F 1,57 = 11,70, P <0,001), et plus encore après STCC (1446 contre 1374 ms; F 1,57 = 36,43, P <0,001). En effet, le Groupe par session par l'interaction groupe était presque significative (F = 1,57 2,65, P = 0,08), de sorte que les temps de réponse lors de la PASST diminué plus après stimulation cathodique (1509 contre 1322 ms), qu'après anodique (1491 vs . 1427 ms) ou fictive (1504 contre 1427 ms) stimulation. Cette tendance ne était pas évident au cours de la PASAT.

Réponse variabilité temporelle

La cohérence des temps de réponse également diminué de façon significative entre une séance (386 ms) et deux (354 msec; F 1,57 = 16,86; p <0,001), comme illustré sur la figure 2b. D'un intérêt particulier, le Groupe de session X x interaction Groupe est significative (F = 11,16 2,57, P <0,001). Ce résultat suggère que la variabilité du temps de réponse diminue au cours de la PASST plus après cathodique (403 vs.273 msec), qu'après anodique (418 vs 398 msec) ou fictive (396 vs 368 msec). La réduction de la variabilité du temps de réponse est égal dans les trois groupes de stimulation pendant la tâche d'addition.

Figure 2
Figure 2: fois (A) Moyenne de réponse verbale avant et après STCC cérébelleux. La moyenne des temps de réponse verbales des participants (moyenne une SEM, n = 20) sélectivement améliorée après stimulation cathodique de la session une (pré-stimulation) pour la deuxième séance (post-stimulation), mais pas de manière significative (P = 0,08) dans le de soustraction de la tâche pour la tâche d'addition. Ce chiffre a été modifié depuis pape et Miall 1. (B) le temps de réponse verbale variabilité avant et après STCC cérébelleux. La variabilité (écart-type) des temps de réponse verbales des participants (moyenne une SEM, n = 20) améliorer sélectivementD de manière significative après stimulation cathodique entre les sessions au cours soustraction, mais pas pendant l'addition. Ce chiffre a été modifié depuis pape et Miall 1.

Deux expérimenter (tâches linguistiques)

L'apprentissage total moyen

Un effet de l'apprentissage entre les blocs 1 à 5 a été calculé pour chaque participant et révélée comparable pendant le substantif (0,03 sec) et le verbe (0,03 sec) des tâches de lecture, mais plus au cours de la tâche de génération de verbe (0,20 sec [Voir Figure 3] ) comme l'a révélé un effet principal significatif du Groupe (F 2,56 = 67,17, P <0,001). Fait intéressant, une interaction Groupe x Groupe session de x significative, (F 4,114 = 2,44, P = 0,05) a suggéré que STCC améliorée sélectivement apprentissage entre les sessions sur la tâche de génération de verbe après cathodique (0,18 vs 0,31 sec), mais pas après anodique (0,18 contre 0,17 sec) ou fictive (0,17 vs 0,19 sec).

Figure 3
Figure 3:. Moyenne totale entre l'apprentissage blocs répétés moyenne réponses (signifient une SEM, n = 20) entre les blocs 1 à 5 étaient plus rapides après STCC lors de la génération du verbe (VG) tâche, que lors de la lecture du nom (NR), verbe lecture (VR) tâches. Astérisques montrent des différences significatives (P <0,05) comme l'a révélé avec-des comparaisons par paires corrigées. Ce chiffre a été modifié depuis pape et Miall 1.

Variabilité totale d'apprentissage

La consistance de l'apprentissage entre les blocs 1-5 a également été calculée (voir la figure 4), et se est révélée être améliorée de manière sélective au cours de la tâche de génération de verbe après cathodique (0,08 vs 0,19 s), mais pas après anodique (0,08 vs 0,08 sec) ou fictive (0,08 vs 0,06 sec) STCC aussi marquée par un sigsignifi- session x Groupe x interaction Groupe, (F 4,114 = 2,23 P <0,05).

Figure 4
Figure 4:. Totale variabilité d'apprentissage entre les blocs répétés La variabilité des réponses (SD signifient une SEM, n = 20) entre les blocs 1 à 5 ont été plus cohérent après STCC lors de la génération du verbe (VG) tâche, que pendant le substantif lecture ( NR), verbe lecture (VR) tâches. Astérisques montrent des différences significatives (P <0,05) comme l'a révélé avec-des comparaisons par paires corrigées. Ce chiffre a été modifié depuis pape et Miall 1.

Discussion

TDCS est devenu un outil populaire ces dernières années pour étudier les relations cerveau et le comportement. Le présent article décrit une procédure d'enquête fonctions cognitives du cervelet en utilisant STCC et divers tests de l'arithmétique et de la langue qui nécessitent des degrés variables de la mémoire de travail et d'attention. Les résultats pour l'expérience une ont montré une stimulation comment cathodique de la précision hémisphère amélioration de la tâche cérébelleux droit et de la variabilité de réponse verbale (par rapport à anodique et une stimulation factice) au cours d'une tâche difficile et cognitivement exigeante traitement de l'information de soustraction mentale (la tâche de soustraction série auditive rythme [ PASST]), mais pas au cours d'une version plus simple et moins exigeant impliquant plus mentale (la tâche auditive rythme série d'addition [PASAT]). Depuis ces deux tâches parts contrôle similaire du moteur (ce est à dire, les opérations verbales), mais la charge cognitive dissemblables (ie., L'effort mental), nous avons supposé dans notre étude précédente1 que cathodique dépression du cortex cérébelleux droit pourrait dégager des ressources cognitives supplémentaires lorsque exigences de la tâche sont élevés. Cathodique STCC devait hyperpolariser le cervelet, déprimer la production des cellules de Purkinje, et de réduire l'inhibition cérébelleuse-encéphalique (CBI 20). Ce point de vue est soutenu par la constatation que la connectivité fonctionnelle entre le cervelet et le cortex préfrontal (c.-à-ponto-thalamo-corticale voie 10) au cours de l'arithmétique est une tâche ou difficulty- sensibles 43. Les résultats de l'expérimentation on ne peut pas se expliquer par un changement dans la contribution du cervelet au contrôle moteur, car ceux-ci sont comparables dans le PASAT et PASST, mais les processus mentaux nécessaires pour effectuer la soustraction par rapport plus sont différents. Les résultats de cette expérience suggèrent que les effets de la place-cérébelleuse tDCS sur la cognition sont susceptibles task- ou spécifique à la charge. Dans l'expérience de deux, la stimulation cathodique a également amélioré de façon sélective l'exécution des tâches au cours d'uneprotocole de langage, de sorte que les réponses ont obtenu plus rapidement et étaient plus systématiquement chronométrés plus de cinq blocs consécutifs de procès au cours desquels les participants générés verbes en réponse à des noms présentés visuellement. Cet effet d'amorçage complété les résultats de l'expérience, et une également les résultats par d'autres montrant comment STCC anodiques sur le cortex préfrontal dorsolatéral gauche (DLPFC) peut améliorer la fluidité verbale et l'image 40 latences de nommage 41,44 - soutenir l'hypothèse que les mêmes modèles de facilitation peut être observée après STCC cathodiques plus de l'hémisphère cérébelleux droit (comme observé dans l'expérience de deux). Pris ensemble, ces résultats confirment le rôle du cervelet - même indirecte - dans le langage, l'apprentissage et la mémoire 45, renouvelant son appui à l'idée que le cervelet peut influer sur les processus cognitifs dans le cortex préfrontal: un site majeur pour beaucoup la mémoire de travail (WM ) opérations.

Améliorations cognitives are physiologiquement plausible, car le cervelet exerce une influence à distance sur l'excitabilité dans le DLPFC, par excitation du cérébro - voie cérébelleuse. Une preuve supplémentaire de couplage entre le cervelet et le cortex préfrontal est décrite dans l'ouvrage de Hamada et ses collègues, de sorte que la plasticité associative induite par des stimuli sensoriels / moteur appariés à 25 ms - jumelé stimulation associative (PAS), a été observée à être bloqué par cerebellar- STCC 46. Et des séances quotidiennes de stimulation magnétique transcrânienne (TMS) sur le cervelet a été montré pour améliorer le contrôle postural et la marche, et double-tâches chez un patient avec une atrophie du cervelet 47. Ces améliorations motrices et cognitives ont été marquées par une augmentation des potentiels évoqués moteurs induits par la stimulation corticale du moteur lorsque le cervelet a également été excité quelques millisecondes avance (étudiés avec double bobine, double choc TMS), due à la réduction inhibition cérébelleuse-encéphalique ( CBI) quiduré six mois après le traitement. Farzan et ses collègues 47 crédités les améliorations de la fonction cognitive à une conséquence de la fonction motrice accrue et la libération des ressources pour l'exécution de la double tâche. La réduction de la CBI induite par TMS peut aussi avoir amélioré la fonction corticale préfrontal directement, par passionnante c erebro - circuits cérébelleux - amélioration de la capacité cognitive. Cette dernière explication est en accord avec celle observée en utilisant les méthodes décrites dans le présent article qui démontrent une procédure pour améliorer sélectivement verbale WM après-cérébelleuse STCC.

Les méthodes décrites ici montrent comment la stimulation électrique du cerveau du cervelet peut moduler les fonctions cognitives et améliorer les performances lors de tâches qui nécessitent un niveau élevé de la charge cognitive. Cette constatation parallèle les effets positifs de la stimulation de la DLPFC, ce qui peut améliorer les performances de calcul sur de longues durées 2 trois problèmes faciles. En fait, STCC plus cortex préfrontal peuvent améliorer les performances dans une variété de tâches cognitives chez les participants sains 4,5, conduisant les chercheurs à utiliser la stimulation électrique du cerveau comme un outil thérapeutique pour le traitement des déficits cognitifs chez les patients après un AVC 48, et chez les patients atteints de la maladie de Parkinson 41. En effet, les orientations futures de STCC comprennent son utilisation comme un outil pour modifier le comportement en induisant des changements durables dans le cerveau. TDCS comme une forme de thérapie de stimulation cérébrale mérite d'être explorée dans les populations de patients pour des raisons évidentes 24.

Dans cet article, les étapes les plus critiques pour la modulation réussie de la cognition utilisant STCC sont: 1) l'adaptation tâche difficulté au niveau de la performance des participants; 2) le placement cohérent et précis de l'électrode de stimulation au-dessus de la région du cerveau souhaitée; 3) assurer tchapeau deux électrodes sont maintenus humides pendant toute la période de stimulation pour empêcher le stimulateur mise hors tension (humidifier avec une solution saline supplémentaire si nécessaire). Il est également important de rassurer les participants (anxiété) réduire que les sensations ressenties lors de la stimulation disparaissent après quelques secondes - laissant STCC inaperçu. Modifications futures pourraient inclure l'administration STCC pendant l'exécution de la tâche (ou alors il se chevauche avec le comportement) pour étudier les effets en ligne. Performances tâche serait alors être comparée entre les conditions actives et de référence (ce est à dire, anodique vs simulacre et / ou cathodique contre imposture), plutôt que de comparer les performances avant et après la période de stimulation. L'efficacité à long terme de la stimulation DC est également la peine d'explorer du point de vue de l'utilisation de STCC pour remédier aux symptômes de la dysfonction cognitive, avec des paradigmes qui peuvent produire des effets plus robustes. Cela peut impliquer des protocoles qui offrent une succession de périodes de stimulation courtes (plutôt qu'un seul block), lequel sessions ultérieures du STCC «top-up» les effets de la session précédente. Offrir plusieurs séances de stimulation peut produire des augmentations cumulatives de performance, plutôt que des changements mineurs qui se développent plus lentement au cours d'une seule session. De tels défis et aussi les orientations futures de la recherche clinique avec STCC ont été examinés par Brunoni et ses collègues 49.

Le potentiel d'utilisation STCC comme un outil thérapeutique pour remédier aux symptômes cognitifs de certaines maladies ne surviendra une fois que la procédure a été mieux compris et maîtrisé. Par exemple, les effets de la STCC plus cortex moteur ont récemment été trouvés à être très variables entre les individus, et pas toujours de polarité spécifique 22,23. La même chose a été dit, pour les effets de STCC dans le domaine cognitif 23. Il ya encore limitées sur des données concernant les effets neuro-amélioration de STCC en général. Mais ce peut être le cas eau off-line effets de STCC plus le cervelet sont plus capable d'améliorer le comportement lorsque les participants doivent se engager pleinement avec une tâche cognitive difficile, ou quand ils trouvent la tâche difficile à réaliser car il impose des exigences élevées sur WM et les ressources attentionnelles. Ce point de vue suggère que les effets de cérébelleuse-STCC sur la cognition peuvent être task- ou charge- charge: médiation peut-être par l'amélioration des fonctions cognitives dans certaines parties de la voie cérébro-cérébelleuse qui sont actifs pendant la stimulation. Cette interprétation de nos parallèles de données bien avec celle de en ligne effets de STCC sur la cognition, qui sont actuellement pensés pour être sensible à l'état du réseau actif pendant le temps de la stimulation 50. TDCS peut ne pas aboutir à des changements dans la performance se il ya des ressources cognitives suffisantes pour effectuer la tâche bien, mais seulement lorsque le système est engagé pour qu'il utilise plus de ressources. En effet, des études IRMf montrent comment l'activité neuronale dans un réseau fronto-pariétal est positivement corrélée à une augmentation de la complexité des tâches 51.

Pour conclure, cet article décrit une procédure de stimulation du cerveau qui sert STCC pour stimuler le cervelet au cours d'une série de tâches traitement de l'information en faisant varier la charge cognitive, dans lequel cathodique dépression de l'activité cérébelleuse (et non anodique excitation) amélioration de la performance au cours attentionally exigeant et difficile tâches cognitives. Nous avons spéculé si cela pourrait être réalisé par désinhibition des régions WM du cortex préfrontal: libérer des ressources cognitives supplémentaires lorsque certaines tâches sont difficiles à réaliser. Une meilleure compréhension des facteurs individuels qui déterminent l'efficacité de STCC est maintenant nécessaire qui nous l'espérons sortir de complément d'étude, ainsi que des protocoles améliorés pour délivrer une stimulation électrique du cerveau dans les populations en bonne santé et de patients. Ainsi, les efforts futurs pourraient être guidés vers remédier aux symptômes cognitifs de certaines maladies en utilisant électr transcrâniennestimulation cérébrale ical comme outil de réadaptation cognitive pour moduler circuits cérébro-cérébelleuse.

Materials

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

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