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Behavior

Modulante Cognition Utilizzando transcranica diretta stimolazione attuale del cervelletto

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

Abstract

Numerosi studi sono emerse recentemente che dimostrano la possibilità di modulare, e in alcuni casi migliorare, processi cognitivi eccitando regioni cerebrali coinvolte nella memoria e attenzione lavorare utilizzando la stimolazione elettrica transcranica cerebrale. Alcuni ricercatori ora credono cervelletto supporta cognizione, possibilmente attraverso un effetto di neuromodulatori remota sulla corteccia prefrontale. Questo articolo descrive una procedura per indagare un ruolo per il cervelletto nella cognizione utilizzando transcranica stimolazione in corrente continua (tDCS), e una selezione di attività di elaborazione delle informazioni di varia difficoltà del compito, che sono stati precedentemente dimostrato di coinvolgere la memoria di lavoro, l'attenzione e il funzionamento del cervelletto . Un compito è chiamato Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT) e l'altro una nuova variante di questo compito chiamato Paced Auditory Serial Sottrazione Task (passt). Sono stati inoltre esaminati Un compito generazione verbo e le sue due controlli (sostantivo e lettura verbo). Tutti e cinque tchiede sono stati eseguiti da tre distinti gruppi di partecipanti, prima e dopo la modulazione della connettività cortico-cerebellare con anodica, catodica o tDCS sham sul diritto corteccia cerebellare. La procedura dimostra come le prestazioni (accuratezza, la latenza di risposta verbale e variabilità) potrebbe essere selettivamente migliorati dopo la stimolazione catodica, ma solo durante le attività che i partecipanti classificati come difficile, e non è facile. La performance è stata immutato da anodica o la stimolazione sham. Questi risultati dimostrano un ruolo per il cervelletto nella cognizione, per cui l'attività nella corteccia prefrontale sinistra è probabile dis-inibita da tDCS catodica sulla destra corteccia cerebellare. Stimolazione cerebrale transcranica sta crescendo in popolarità in vari laboratori e cliniche. Tuttavia, le conseguenze della tDCS sono incoerenti tra gli individui, e non sempre specifiche di polarità, e può anche essere task- o specifico carico, ognuno dei quali richiede ulteriori studi. Gli sforzi futuri potrebbero anche essere guidati verso neuro-Enhancement nei pazienti cerebellari che presentano deficit cognitivo una volta una migliore comprensione dei meccanismi di stimolazione del cervello è emerso.

Introduction

L'elettricità è stata usata in medicina per oltre 100 anni. Oggi, la stimolazione cerebrale è sempre più spesso utilizzato in vari laboratori e cliniche, come uno strumento di ricerca per la verifica delle ipotesi su come le funzioni cognitive del motore e vengono eseguite dal cervello e il cervelletto, e come le connessioni tra queste due regioni cerebrali supportano queste funzioni. Per quanto riguarda il cervelletto, questo è in parte perché gli emisferi cerebellari laterali, che si ritiene siano coinvolte nella cognizione (vedi sotto), sono accessibili alla stimolazione elettrica transcranica, sono sensibili agli effetti delle correnti di polarizzazione, e perché la procedura è relativamente poco costoso e facile da eseguire in soggetti umani. La procedura di stimolazione cerebrale descritta nel presente articolo viene illustrato come processi cognitivi come la memoria di lavoro e l'attenzione possono essere facilitati durante le attività che sono 'più', piuttosto che 'meno' cognitivamente impegnativo 1. L'interpretazionezione di questi risultati uno specifico intervento, sono saldamente vincolati da una comprensione della fisiologia della via cerebro-cerebellare. Neuro effetti di miglioramento, anche quando le attività sono difficili, sono anche osservati dopo stimolazione elettrica della corteccia prefrontale 2,3,4,5.

Il cervelletto gioca un ruolo importante nel predire, tempi e l'esecuzione di movimenti 6. Tuttavia, diverse linee di ricerca ora suggeriscono che il cervelletto può influenzare i processi cognitivi. Nel dominio anatomico, ad esempio, numerosi studi hanno suggerito che i collegamenti reciproci tra regioni della corteccia prefrontale e il cervelletto (cioè, il percorso cerebro-cerebellare) possono supportare cognizione 7,8,9,10,11,12. In ambito clinico, alcuni pazienti con danni a parti specifiche del cervelletto posteriori presentano problemi intellettuali ed emotivi i cui sintomi sono concettualizzato nell'ipotesi 'dismetria di pensiero', eclinicamente definita 'sindrome cerebellare affettivo cognitivo (CCAS), mentre quelli con danni alle parti anteriori del cervelletto, presentano difficoltà motorie (ad esempio, atassia) e concettualizzato come' dismetria del movimento '13,14,15. Nel dominio di imaging cerebrale, Schmahmann e colleghi 16,17 hanno usato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e connettività funzionale per mappare regioni specifici compiti del cervelletto e le connessioni queste aree fare con il lobo prefrontale durante compiti motori e cognitivi.

I compiti cognitivi presentati in questo studio sono stati scelti perché hanno già dimostrato di attivare cosiddette regioni non motori del cervelletto. Ma ci hanno anche permesso di partizionare i motori e componenti delle attività cognitive, che è stato ottenuto variando il livello di cognitivo rispetto alle richieste del motore che sono necessari per eseguire correttamente, e l'intervento di un pr stimolazione cerebraleocedure precedentemente dimostrato di modulare relazioni cervello-comportamento. Recenti tentativi di modulare la funzione e il comportamento del cervello hanno incluso l'uso di polarizzazione correnti attraverso il cuoio capelluto, chiamato, transcranica stimolazione a corrente continua (tDCS). In realtà, i medici sono stati stimolanti corteccia cerebellare con elettrodi impiantati nella popolazione dei pazienti fin dal 1970, con incoraggianti risultati terapeutici 18. Oggi, stimolando il cervello attraverso il cuoio capelluto è realizzato per essere utile per studiare le relazioni cervello-comportamento di partecipanti sani.

TDCS nell'uomo normalmente implica la consegna di un basso (1-2 mA) corrente continua (DC) continuamente attraverso una coppia di elettrodi saline-bagno per 15-20 minuti. Un tipico montaggio dell'elettrodo per stimolare il cervello potrebbe comportare uno (anodica) elettrodo essendo collocato sulla testa (sopra la regione del cervello di interesse), e l'altro elettrodo (catodica) essendo posizionato sulla guancia (cefalica) o una spalla (senzan-cefalica) sul lato controlaterale del corpo. In caso di stimolare cervelletto, intracerebrale flusso di corrente tra i due elettrodi è relativamente poco diffuse funzionale regioni vicine (ad esempio, corteccia visiva 19) ed è pensato per eccitare o deprimere cellule di Purkinje della corteccia cerebellare 20, producendo sia neurofisiologico e comportamentale cambiamenti. La diffusione della corrente e di effetti di cerebellare-tDCS nell'uomo sono desunti da dati di modellazione o da studi su animali, e dagli effetti indiretti sulla corteccia motoria. Nel dominio del motore, gli effetti sono anche dimostrato di essere specifiche per la polarità come dimostrano le conseguenze di stimolazione cerebellare sulla corteccia motoria eccitabilità 20. Ad esempio, stimolazione anodica ha generalmente un effetto eccitatorio e aumenta la produzione di cellule di Purkinje; aumentando l'inibizione del pathway facilitatory dai nuclei cerebellari alla corteccia cerebrale, mentre la stimolazione catodica ha generalmente un effe oppostact cioè, dis-inibizione della corteccia cerebrale, riducendo l'inibizione delle cellule di Purkinje dei nuclei cerebellari. Studi anatomici in primati rivelano come le cellule di Purkinje potevano esercitare un drive facilitatorio su entrambi motori e circuiti cognitivi, tramite un relè sinaptico nel talamo ventrale-laterale 21. Tuttavia, recenti studi tDCS sull'uomo suggeriscono che la distinzione anodica-catodica non può essere netta. Per esempio, gli effetti di post-tDCS oltre corteccia motoria sono molto variabili tra individui, e non sono sempre 22 specifici polarità. Critiche analoghe sono inoltre riscossi verso risultati nel dominio cognitivo 23. Questo può aiutare a spiegare perché gli effetti sulle funzioni cognitive sono più difficili da individuare e da interpretare rispetto agli effetti diretti del cervelletto in aree motorie a causa dell'inibizione cerebellare-cervello (CBI 20). Tali osservazioni sottolineano la necessità di comprendere meglio i singoli fattori che determinano l'efficacia di stimo cervelloione, e sviluppare protocolli perfezionati per stimolare il cervello.

I cambiamenti nelle funzioni sia motorie e cognitive sono fisiologicamente plausibili attraverso la stimolazione elettrica del cerebello-talamo-corticale percorso 24. Per quanto riguarda le funzioni cognitive, un effetto modulatorio di cerebellare-tDCS nella memoria di lavoro verbale è stato segnalato 25,26. E gli effetti duraturi sulla cognizione di stimolare le regioni della corteccia prefrontale si osservano anche 2,3,4,5. Tuttavia, gli effetti fisiologici della stimolazione cerebrale sui neuroni sono diversi a seconda se il comportamento è testato (effetti on-line) durante o dopo (effetti off-line) il periodo di stimolazione 27. È stato suggerito che gli effetti on-line possono includere cambiamenti nell'ambiente intracellulare (ad es., Le concentrazioni di ioni) e il gradiente elettrochimico (ad esempio, potenziali di membrana), mentre gli effetti off-line potrebbero includere cambiamenti più duraturi in Activi neuralety a causa di processi intracellulari alterati (ad esempio, la plasticità dei recettori) 27. Il presente studio indaga gli effetti off-line, per cui tDCS è applicata in-tra due sessioni di test cognitivi, e il comportamento viene confrontato tra le due sessioni.

Investigating un ruolo per il cervelletto nella cognizione è assistita dall'uso di compiti che sono stati precedentemente dimostrato coinvolgere funzionamento cerebellare. Un compito particolare coinvolge aritmetica ragionamento e attenzione divisa e si chiama Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT 28). E 'stato ampiamente utilizzato per valutare le varie funzioni cognitive in entrambe le popolazioni sane e pazienti. Il test consiste in genere i partecipanti ad ascoltare i numeri presentati ogni 3 secondi, e aggiungendo il numero sentono al numero hanno sentito prima (piuttosto che dare un totale parziale). È un compito impegnativo e impone un alto grado di WM, attenzione e capacità aritmetica. Essa coinvolge anche actività nel cervello e il cervelletto associata con questi elementi particolari del compito, come rivelato in PET 29 e RM 30. Per rendere il compito più cognitivamente difficile e impegnativo attentionally (come confermato da altri in un recente studio 31, le istruzioni originali sono stati modificati in modo che i partecipanti erano tenuti a sottrarre il numero che sentono dal numero hanno sentito prima. Noi chiamiamo questo nuovo compito la Paced Auditory Serial Sottrazione Task (Passt 1), ed è più difficile da eseguire rispetto alla PASAT come evidenziato da valutazioni soggettive di difficoltà del compito e tempi di reazione notevolmente più lunghi 1. Entrambe le versioni del compito sono stati inclusi in modo che era più cognitivamente difficile e attentionally chiedendo di eseguire rispetto all'altro, mentre le richieste del motore (operazioni di parola segreta) erano paragonabili tra le attività. Se il cervelletto è coinvolto nella cognizione, quindi perturbare la sua funzione con tDCS potrebbe interferire con il ruolo di questa sTRUTTURA durante la performance sul Passt, ma non necessariamente sul PASAT.

Un altro compito largamente utilizzato per indagare su un ruolo per il cervelletto durante gli aspetti del linguaggio e della cognizione è il Verbo Generation Task (VGT 32,33,34,35,36,37). Come il PASAT, è stato ampiamente utilizzato per testare la memoria di lavoro verbale in popolazioni sane e pazienti. In sostanza, il VGT richiede partecipa a dire a voce alta un verbo (ad esempio unità) in risposta ad un sostantivo presentato visivamente (ad esempio, auto), a fronte di prestazioni in un compito di controllo in base al quale i partecipanti leggono nomi a voce alta. Generazione verbi e sostantivi di lettura hanno esigenze percettive e motorie simili, ma diverse esigenze WM verbale (cioè, una maggiore analisi semantica). E una maggiore attività in una rete cerebro-cerebellare è associato con la generazione di verbi rispetto a lettura di sostantivi 34,35,36. Le parole sono anche generati più rapidamente (un effetto di priming), quando i compiti sonoripetuto con le stesse parole (in ordine casuale) tra blocchi, e l'attività aumenta cerebro-cerebellare come osservato in PET e fMRI 33 37.

In questo articolo, una procedura viene descritta per l'applicazione tDCS sopra il cervelletto ad indagare su un ruolo per questa struttura cerebrale in cognizione, insieme a due aritmetica (esperimento uno) e tre task della lingua (esperimento due) di varia difficoltà, che tre gruppi distinti di partecipanti effettuate prima e dopo il periodo di stimolazione. Abbiamo ipotizzato, dato un ruolo per il cervelletto nella cognizione, che le prestazioni sui compiti più impegnativi (cioè, Passt e generazione verbo) sarebbero interessati più da tDCS (effetti off-line) che le prestazioni su compiti meno impegnativi (PASAT e sostantivo / verb lettura).

Protocol

NOTA: Tutti i partecipanti hanno dato il consenso informato e lo studio è stato approvato dal University of Birmingham Comitato Etico.

1. Chiedere al partecipante di leggere il foglio informativo e completare l'screeningquestionnaire tDCS (appendice 1), e se non ci sono controindicazioni alla tDCS spettacolo, chiedere loro di firmare il modulo di consenso.

2. Eseguire esperimento one (compiti di calcolo) e sperimentare due (task della lingua), uno dopo l'altro, in modo pseudo-casuale, prima (sessione uno) e dopo (sessione due) il periodo di stimolazione in una stanza silenziosa per ridurre le distrazioni e consentire la registrazione accurata dei tempi di risposta uditive, che sono calcolati off-line.

3. In un esperimento, presentare gli stimoli uditivi (es., Numeri) su una cuffia (tabella dei materiali / apparecchiature). Nell'esperimento due, presentare gli stimoli visivi (cioè, parole) sullo schermo del computer. In entrambi gli esperimenti, porta il headset microfono l'ampiezza delle risposte uditive partecipanti.
NOTA: Tutte le attività erano computerizzato e corse su un computer portatile controllato da presentazione dello stimolo e software di registrazione (Tabella dei materiali / apparecchiature).

4. Alla fine, spiegano ai partecipanti lo scopo dello studio (cioè, debriefing), e chiedere loro di valutare la difficoltà di ogni attività su una scala da 1 (facile) - 10 (hard). Inoltre, spiegare ai partecipanti di non prendere parte in un altro esperimento stimolazione cerebrale per almeno 7 giorni, e di contattare lo sperimentatore se devono sentirsi gli effetti negativi della tDCS.

5. Esperimento One (procedure di calcolo)

5.1) Esecuzione Paced Auditory Serial Addition Task

NOTA: Il PASAT arriva in un 3 sec e una versione 2 sec.

  1. Utilizzare i 60 elementi ciascuno contenuti nelle versioni 3 sec e 2 sec per l'attività aggiunta e la sottrazione compito, rispettivamente. Furthermore, utilizzare i punti all'ordine del PASAT-Form A prima del periodo di stimolazione (sessione uno), e gli articoli sul PASAT-Form B, dopo il periodo di stimolazione (seconda sessione).
    NOTA: controbilanciare l'ordine in cui i partecipanti effettuano la PASAT e Passt, in modo che le prestazioni su un compito non trasferisce all'altro.
  2. Sedetevi il partecipante di fronte allo schermo del computer e spiegare loro che stanno andando a sentire una serie di numeri attraverso l'auricolare, e che dovranno aggiungere il numero sentono al numero hanno sentito immediatamente prima, e poi vocalizzare la risposta, e continuare ad aggiungere il numero sentono a quella che la precede (e non per dare un totale parziale). Posizionare il microfono davanti alla bocca del partecipante prima di avviare l'attività.
  3. Avviare l'attività e chiedere al partecipante di leggere le istruzioni standard che vengono presentati sullo schermo del computer, che spiega formalmente come eseguire il PASAT. Effettuarel'attività una volta il partecipante ha pienamente compreso le istruzioni.
    NOTA: Un esempio scritta anche presentato loro. Queste istruzioni sono simili a quelli della versione originale del compito.
  4. Durante l'attività, annotare ogni risposta sulla scheda di valutazione stampato (Appendice 2) di controllo a posteriori. Dare alcun punteggio se il partecipante fornisce una risposta sbagliata o non risponde. Assicurarsi che gli stimoli siano udibili in modo che l'attività può essere seguita (in alternativa presentare l'esperimento attraverso altoparlanti), e contrassegnare ogni risposta corretta a turno.
  5. Dillo ai partecipanti di non parlare e / o eseguire calcoli orale (o usare le dita per assistere le prestazioni) durante il compito e che solo la risposta dovrebbe essere parlato ad alta voce.

5.2) Esecuzione Paced Auditory Serial Sottrazione Task

  1. Dillo ai partecipanti che le istruzioni per l'operazione di sottrazione (Passt) sono gli stessi per l'attività aggiunta (PASAT), ma questa volta sonorichiesta per sottrarre il numero che sentono dal numero sentirono subito prima, e poi vocalizzare la risposta, e continuare a sottrarre il numero che sentono da quello immediatamente prima (e non per dare un totale parziale). Anche in questo caso, assicurarsi che il microfono non si è allontanato dalla bocca del partecipante.
  2. Una volta che il partecipante ha letto le istruzioni loro presentate sullo schermo del computer connessi al compito sottrazione, e pienamente comprese dagli - svolgere il compito. Ancora una volta, ricordare ai partecipanti di non eseguire calcoli per via orale o con l'ausilio delle dita.

5.3) Perforing Pratica Sessions (PASAT E passt)

NOTA: Una sessione pratica viene eseguita da ciascun partecipante prima dell'esecuzione ogni attività in uno esperimento per determinare il tasso al quale i partecipanti possono eseguire le operazioni entro un certo limite per evitare effetti soffitto. Raggiungere questo includendo 45 oggetti in occasione di practice (differenza delle originali 10 elementi).

  1. Spiegare al partecipante che stanno per eseguire la PASAT e / o Passt (a seconda di quale compito deve essere eseguita prima) come descritto sopra. Durante il solo turno di prove, di aumentare il tasso di presentazione degli elementi uditivi riducendo l'intervallo inter-stimolo da 300 msec dopo ogni blocco di cinque elementi, tra l'intervallo gamma di 4,2-1,8 sec.
  2. Durante la pratica, notare il tasso di presentazione che ha causato il partecipante a fare 3 errori consecutivi (ma permettere loro di terminare la sessione di prove), e utilizzare il tasso che precede questo punto di cut-off durante il compito.
  3. Selezionare la velocità presentazione dello stimolo per ogni partecipante, e mantenere questo tasso tra le sessioni uno e due (es., Prima e dopo la stimolazione). Dare al partecipante una breve pausa tra ogni attività (circa 30 sec).

6. experiement Two (task della lingua)

6.1) Esecuzione Task Generation Verbo

NOTA: Eseguire la lettura sostantivo, la generazione verbo ed il verbo leggere compito in questo ordine (separati da una breve pausa) in modo che le parole presenti nel compito verbo leggere non fanno primo una risposta più rapida nel compito generazione verbo. Ogni attività è costituito da 3 parole pratica e 6 blocchi di 10 prove.

  1. Costruire una lista di 40 nomi concreti relativi a strumenti / oggetti che potrebbero essere manipolati con le mani o piedi, e 40 verbi concreti relativi alle azioni effettuate con gli strumenti / oggetti da un gruppo indipendente di partecipanti in base al quale vengono generati le stesse coppie nome-verbo di oltre la metà il gruppo come in Papa e Miall 1. Evitare coppie nome-verbo che generano le stesse risposte (ad esempio, la cena-mangia, apple consumo) o non riguardano azioni umane (ad esempio, al forno cuocere). Metà Presenti le parole una sessione e l'altra metà in sessione due.
  2. Spiegare al partecipante che have dire un verbo appropriato (ad esempio unità) in risposta al sostantivo presentato (es auto). Chiarire questa relazione nome-verbo ai partecipanti all'inizio del compito.
  3. Presentare le parole centralmente sullo schermo del computer in un ordine casuale diverso in blocchi 1-5 (parole ripetute), e presentare nuove parole nel blocco 6 (romanzo parole). Assicurarsi che ogni parola è sostituita dalla parola successiva, quando il microfono rileva una risposta.
    NOTA: assicuratevi che gli elenchi di parole in sessioni uno e due sono diversi, e controbilanciato tra i partecipanti.
  4. Avviare l'attività e chiedere al partecipante di leggere le istruzioni standard che vengono presentati sullo schermo del computer, che spiega formalmente come eseguire l'operazione verb generazione.
  5. Una volta che il partecipante ha pienamente compreso il compito, posizionare il microfono davanti alla bocca, e istruire a produrre parole appena appaiono sullo schermo del computer.
  6. Scrivere o registrare ogni risposta ha parlaton alta voce da parte del partecipante di controllo a posteriori. Prendere nota di eventuali errori o risposte mancate.

6.2) L'esecuzione delle nome e verbo compiti di lettura

NOTA: Presentare le parole nello stesso modo come nel compito verb generazione. I partecipanti leggono nomi nel compito di lettura sostantivo, e verbi nel compito verb lettura.

  1. Per entrambi i compiti di lettura, istruire il partecipante di leggere ogni parola ad alta voce, non appena appare sullo schermo del computer.
  2. Verificare che il partecipante ha letto ogni parola correttamente durante entrambe le attività di lettura, cercando lo schermo come le parole vengono lette ad alta voce.
    NOTA: Assicurarsi che la posizione del microfono non si è mosso dalla bocca del partecipante tra i compiti.

7. Esecuzione cerebellare tDCS

NOTA: TDCS è considerato sicuro da usare negli esseri umani. Tuttavia, il ricercatore somministrazione tDCS in questo studio è stato un soccorritore. È advISA che un soccorritore è a portata di mano quando si esegue tDCS, al fine di garantire che la sicurezza dei partecipanti non è compromessa se si sentono male / debole durante la procedura. Non lasciare mai un partecipante incustodito quando si somministra tDCS.

  1. Presoak due elettrodi spugna (area superficiale = 25 cm 2) in una soluzione salina normale 0,9% NaCl fino a quando sono saturi.
  2. Per amministrare eccitatoria (anodica) stimolazione sul diritto corteccia cerebellare, posizionare l'elettrodo rosso, 1 cm sotto, e 4 cm a destra della proiezione più importante dell'osso occipitale (inion).
    NOTA: Questa posizione laterale sul cuoio capelluto approssima la posizione del lobo cerebellare VII.
  3. Per completare il montaggio elettrodo, collocare il o elettrodo catodica (blu) sulla spalla destra sopra il muscolo deltoide.
  4. Per amministrare la stimolazione inibitoria (catodica), ripetere la procedura sopra e posizionare i due elettrodi di spugna il contrario (cioè,posizionare l'elettrodo blu sulla testa e l'elettrodo rosso sulla spalla).
  5. Per amministrare tDCS fittizie, consegnare pseudo stimolazione (ad esempio, 110 uA oltre 15 msec, ogni 550 msec) per 20 minuti al posto della corrente di stimolazione. Posizionare i due elettrodi lo stesso come sopra, ma controbilanciare la posizione degli elettrodi rosso e blu tra i partecipanti al gruppo sham.
  6. Fissare gli elettrodi bagnati saldamente alla testa e al braccio con cinghie di gomma o involucro di auto-aderente. Mettere qualche tovagliolo di carta intorno alla parte posteriore del collo del partecipante per assorbire gocciolamento soluzione salina.
    NOTA: Verificare che la posizione prevista degli elettrodi non è spostato dopo che sono stati fissati. Per garantire interfaccia ottimale elettrodo-pelle, assicurarsi che gli elettrodi sono posti piatta sul cuoio capelluto, e non sopra i capelli.
  7. Per insorgenza e offset ogni aumento stimolazione intervento e diminuire, rispettivamente, la corrente continua in un modo a rampa oltre 10 sec 38,39.Impostare l'intensità della stimolazione a 2 mA e fornire per 20 minuti utilizzando un affidabile stimolatore corrente continua regolata (Tabella dei materiali / apparecchiature).
    NOTA: Questa intensità è simile a quello utilizzato da altri 25, ed è considerato un livello sicuro di esposizione 40, ben al di sotto della soglia di causare danni ai tessuti 41.
  8. Dite al partecipante di riposo / relax durante il periodo di stimolazione, e scoraggiarli di utilizzare dispositivi elettronici, in modo da evitare di introdurre variabili di confondimento che possono potenzialmente influenzare l'esito dell'esperimento.
    NOTA: E 'comune per i partecipanti di sentirsi una sensazione di prurito lieve a uno o entrambi i siti elettrodi (e / o un sapore metallico in bocca), quando inizia la corrente di stimolazione. Rassicurare i partecipanti che queste sensazioni scompaiono dopo pochi secondi - lasciando tDCS inosservato.
  9. Applicare anodica, catodica o la stimolazione sham a tre distinti gruppi di partecipanti in pseudo ord casualeer (tra i-partecipanti, campioni indipendenti). Assicurarsi che il numero complessivo, il sesso e l'età media dei partecipanti è comparabile tra i gruppi come Papa e Miall 1.

8. stimolazione cerebrale seguito, ripetere la PASAT (gradini 5.1-5.1.5) e la Passt (gradini 5.2-5.2.2) in un ordine contrappeso, e le attività sostantivo e verbo lettura (passi 6.2-6.2.2) e la compito generazione verbo (passaggi 6.1-6.1.6) in questo ordine. Eseguire un esperimento (compiti di calcolo) e sperimentare due (task della lingua) in ordine pseudo-casuale. Non fornire pratico su incarico dopo stimuation cervello.

NOTA: In altri studi di cognizione, la stimolazione reale e finzione è stata applicata per la stessa coorte (entro-partecipanti, campioni legati), separati da una durata di wash-out di almeno 5-7 giorni 25,26. Tuttavia, differenziando sham e stimolazione reale è più facile a più alti punti di forza attuali 42. Questo potrebbe essere problematico in un conin-partecipanti disegno, ma non così in un disegno tra-partecipanti come descritto qui.

Representative Results

Analisi dei dati

Nell'esperimento uno, i risultati sono stati analizzati in termini di numero di risposte corrette o punteggi di precisione (espressi in percentuale corretta), e la media e della variabilità (deviazione standard) dei tempi di risposta verbale dei partecipanti utilizzando ANOVA misti separati, per entrambe le attività ( PASAT vs. Passt), tra le sessioni (prima vs dopo) e nei gruppi (anodica, catodica o sham). Nell'esperimento due, la media e la variabilità delle risposte verbali dei partecipanti sono stati analizzati confrontandoli tra il primo (Block 1) e l'ultimo (Block 5) serie di parole ripetute (importo complessivo di apprendimento) utilizzando ANOVA misti separati all'interno di ogni attività (verb generazione vs sostantivo lettura vs verb lettura), Session (prima vs dopo) e di gruppo (anodica, catodica o sham). I risultati di risposte errate sono stati esclusi da tutte le analisi dei dati, insieme con le risposte che sono state prolungate (superiori a + 2SD della media) in unico esperimento a due.

ove_content "> Experiment One (procedure di calcolo)

Stimolo Presentazione Tasso

T-test a coppie corretti per confronti multipli hanno confermato che i tassi di stimolo di presentazione specifici partecipanti stabiliti durante le prove non hanno mostrato differenze significative tra i tre gruppi (sham, anodica e gruppi catodica, 2.56, 2.50 e 2.49 sec, rispettivamente, F 2, 63 = 0.23 P = 0,79).

Precisione Scores

Il numero di risposte corrette è aumentato in sessione di due (84.47%) rispetto a una sessione (76,30%), presumibilmente a causa di pratiche (figura 1), ma a maggior ragione dopo catodica (77.50 contro 89.32%), che dopo anodica (77,80 vs . 82.80%) o sham (77,81 vs 80,91%) la stimolazione, come confermato da una task x interazione Session x Gruppo che è stato significativo con ANOVA (F = 2,63 4,61, P <0,05).

Figura 1
Figura 1:. Precisione punteggi prima e dopo tDCS cerebellari Il numero di risposte corrette (media +1 SEM, n = 20) selettivamente migliorata dopo la stimolazione catodica dalla sessione di un (pre-stimolazione) alla sessione di due (post-stimolazione), significativamente più nel compito di sottrazione (Passt) rispetto al compito aggiunta (PASAT). Asterischi mostrano differenze significative (P <0,05), come rivelato con corretti-confronti a coppie. Questo dato è stato modificato dal Papa e Miall 1.

Tempi di risposta verbale

Le risposte corrette sono state significativamente più veloce durante la PASAT che durante la Passt (1372 vs. 1447 msec; F = 1,57 11,70, p <0,001), e ancora di più dopo tDCS (1.446 vs 1.374 msec, F 1,57 = 36.43, P <0,001). In effetti, l'attività per sessione dall'interazione gruppo era quasi significativa (F 1,57 = 2.65, P = 0.08), per cui i tempi di risposta durante il Passt diminuiti di più dopo la stimolazione catodica (1509 vs. 1322 msec), che dopo anodica (1491 vs . 1427 msec) o sham (1504 vs. 1427 msec stimolazione). Questa tendenza non è stato evidente durante la PASAT.

Tempo di risposta della variabilità

La consistenza di tempi di risposta anche notevolmente diminuita tra una sessione (386 msec) e due (354 msec; 1,57 F = 16.86, P <0,001) come mostrato nella Figura 2b. Di particolare interesse, la Task x Session x interazione di gruppo è stato significativo (F = 2,57 11.16, P <0,001). Questo risultato suggerisce che la variabilità nel tempo di risposta Passt diminuito più dopo catodica (403 vs.273 msec), che dopo anodica (418 vs. 398 msec) o sham (396 vs. 368 msec). La riduzione della variabilità tempo di reazione è pari di tutti i tre gruppi di stimolazione durante il compito aggiunta.

Figura 2
Figura 2: i tempi (A) Media di risposta verbale prima e dopo tDCS cerebellari. La media dei tempi di risposta verbali partecipanti (media +1 SEM, n = 20) selettivamente migliorata dopo la stimolazione catodica da una sessione (pre-stimolazione) alla sessione di due (post-stimolazione), anche se non significativamente (P = 0,08) nel compito di sottrazione che nel compito aggiunta. Questo dato è stato modificato dal Papa e Miall 1. (B) verbale risposta variabilità tempo prima e dopo tDCS cerebellari. La variabilità (deviazione standard) dei tempi di risposta verbale dei partecipanti (media +1 SEM, n = 20) selettivamente migliorared significativo dopo la stimolazione catodica tra le sessioni durante sottrazione, ma non durante aggiunta. Questo dato è stato modificato dal Papa e Miall 1.

Esperimento Due (procedure di lingua)

Apprendimento totale Media

Un effetto di apprendimento tra i blocchi 1-5 è stato calcolato per ogni partecipante ed è risultato comparabile durante il sostantivo (0.03 sec) e verbo (0.03 sec) compiti di lettura, ma più durante l'attività di generazione verbo (0.20 sec [vedi figura 3] ) come rivelato da un significativo effetto principale della Task (F = 2,56 67.17, P <0,001). È interessante notare che, una significativa Session x interazione Task x Group, (F 4.114 = 2.44, P = 0.05), ha suggerito che tDCS selettivamente migliorato l'apprendimento tra le sessioni sul compito generazione verb dopo catodica (0,18 vs 0,31 sec), ma non dopo anodica (0,18 vs 0.17 sec) o sham (0,17 vs 0.19 sec).

Figura 3
Figura 3:. Media apprendimento totale tra blocchi utilizzate medio risposte (+1 significano SEM, n = 20) tra blocchi 1-5 erano veloce dopo tDCS durante la generazione verbo (VG) compito, che durante la lettura (NR) nome, verbo lettura (VR) compiti. Asterischi mostrano differenze significative (P <0,05), come rivelato con corretti-confronti a coppie. Questo dato è stato modificato dal Papa e Miall 1.

Totale variabilità apprendimento

La coerenza di imparare tra i blocchi 1-5 è stato anche calcolato (Vedi Figura 4), ​​e ha trovato ad essere selettivamente migliorata durante l'attività di generazione verb dopo catodica (0.08 vs 0.19 sec), ma non dopo anodica (0,08 vs 0,08 sec) o sham (0,08 vs 0,06 sec) tDCS come segnato da un signifsignifica- Session x Task x interazione Group, (F 4.114 = 2.23 P <0,05).

Figura 4
Figura 4:. Variabilità apprendimento totale tra i blocchi ripetuti La variabilità delle risposte (media SD +1 SEM, n = 20) tra blocchi 1-5 erano più consistenti dopo tDCS durante la generazione verbo (VG) compito, che durante il sostantivo lettura ( NR), verbali di lettura (VR) compiti. Asterischi mostrano differenze significative (P <0,05), come rivelato con corretti-confronti a coppie. Questo dato è stato modificato dal Papa e Miall 1.

Discussion

TDCS è diventato uno strumento popolare negli ultimi anni per lo studio delle relazioni cervello-comportamento. Il presente articolo descrive una procedura per indagare le funzioni cognitive del cervelletto con tDCS e vari test di aritmetica e di linguaggio che richiedono vari gradi di memoria di lavoro e di attenzione. I risultati dell'esperimento hanno mostrato una stimolazione come catodica del diritto accuratezza nell'emisfero compito migliorato cerebellare e la variabilità di risposta verbale (rispetto al anodica e la stimolazione sham) durante un compito di elaborazione di informazioni difficili e cognitivamente impegnativo che coinvolge sottrazione mentale (il ritmo uditivo compito sottrazione seriale [ Passt]), ma non durante una versione più semplice e meno impegnativo che coinvolge oltre mentale (il uditivo compito aggiunta seriale frenetico [PASAT]). Dal momento che entrambi questi compiti condividono controllo analogo del motore (ad esempio, le operazioni di verbali), ma carico dissimile cognitiva (es., Sforzo mentale), abbiamo speculato nel nostro precedente studio1 che la depressione catodica del diritto corteccia cerebellare potrebbe rilasciare risorse cognitive extra quando richieste di compiti sono elevati. Catodica tDCS avrebbe dovuto hyperpolarize cervelletto, deprimere uscita cellule di Purkinje, e ridurre l'inibizione cerebellare-cervello (CBI 20). Questa visione è sostenuta dalla scoperta che la connettività funzionale tra il cervelletto e la corteccia prefrontale (cioè, cerebello-talamo-corticale percorso 10) durante l'aritmetica è task- e difficulty- sensibile 43. I risultati di esperimenti non possono essere spiegate da alcun cambiamento del contributo cerebellare di controllo del motore, in quanto questi sono paragonabili nel PASAT e Passt, ma i processi mentali necessari per eseguire la sottrazione rispetto Inoltre sono diversi. I risultati di questo esperimento suggeriscono invece che gli effetti di cerebellare-tDCS sulla cognizione rischiano task- o specifico carico. Nell'esperimento due, la stimolazione catodica anche selettivamente migliorato le prestazioni nel corso di una operazioneprotocollo lingua, in modo che le risposte si sono più veloci e sono stati più coerente cronometrati oltre cinque blocchi consecutivi di prove in cui i partecipanti hanno generato verbi in risposta a nomi presentati visivamente. Questo effetto priming completato i risultati dell'esperimento uno, e anche reperti di altri mostrando come tDCS anodica sulla sinistra della corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) in grado di migliorare la fluidità verbale e 40 foto latenze di denominazione 41,44 - sostenere l'ipotesi che gli stessi modelli agevolazione può essere osservati dopo tDCS catodica oltre l'emisfero destro del cervelletto (come osservato nell'esperimento due). Presi insieme, questi risultati supportano un ruolo per il cervelletto - seppur indiretto - nel linguaggio, l'apprendimento e la memoria 45, dando ulteriore sostegno all'idea che il cervelletto può influenzare i processi cognitivi nella corteccia prefrontale: un sito importante per molti memoria di lavoro (WM ) operazioni.

Miglioramenti cognitivi are fisiologicamente plausibile perché il cervelletto esercita un'influenza remoto attraverso eccitabilità nel DLPFC, tramite eccitazione del cerebro - percorso cerebellare. Ulteriore evidenza per l'accoppiamento tra il cervelletto e la corteccia prefrontale è descritto nel lavoro di Hamada e colleghi, per cui la plasticità associativa indotta da stimoli sensoriali / motore accoppiati a 25 ms - accoppiato stimolazione associativo (PAS), è stato osservato essere bloccati da cerebellar- tDCS 46. E sessioni giornaliere di stimolazione magnetica transcranica (TMS) sopra il cervelletto ha dimostrato di migliorare il controllo posturale e passeggiate, e dual-tasking in un paziente con atrofia cerebellare 47. Questi miglioramenti motorie e cognitive sono stati caratterizzati da un aumento dei potenziali evocati motori indotti dalla stimolazione corticale motore quando il cervelletto è anche entusiasta di alcuni millisecondi prima (indagati con dual-coil, paired-pulse TMS), a causa della ridotta inibizione cerebellare-cervello ( CBI) cheè durato 6 mesi dopo il trattamento. Farzan e colleghi 47 accreditati i miglioramenti nella funzione cognitiva ad una conseguenza della funzione motoria rafforzata e la liberazione di risorse per l'esecuzione del doppio compito. La riduzione CBI indotta da TMS può anche essere migliorato prefrontale funzione corticale direttamente, attraverso emozionante c erebro - circuiti cerebellari - migliorare la capacità cognitiva. Quest'ultima spiegazione è in accordo con quella osservata utilizzando i metodi descritti nel presente articolo che dimostrano una procedura per selettivamente migliorare WM verbale dopo cerebellare-tDCS.

I metodi qui descritti dimostrano come la stimolazione elettrica del cervello del cervelletto può modulare funzioni cognitive e migliorare le prestazioni durante le attività che richiedono un elevato livello di carico cognitivo. Questo risultato parallelo gli effetti positivi stimolando la DLPFC, che può migliorare le prestazioni aritmetica su lunghe durate 2 3. In realtà, tDCS oltre corteccia prefrontale possono migliorare le prestazioni in una varietà di compiti cognitivi in soggetti sani 4,5, portando i ricercatori a utilizzare la stimolazione cerebrale elettrica come strumento terapeutico per il trattamento di deficit cognitivi nei pazienti dopo ictus 48, e nei pazienti con malattia di Parkinson 41. Infatti, indicazioni future per tDCS includono il suo uso come strumento per modificare il comportamento inducendo cambiamenti duraturi nel cervello. TDCS come una forma di terapia di stimolazione cerebrale è la pena di esplorare in popolazioni di pazienti, per ovvie ragioni 24.

In questo articolo, i passaggi più critici per la modulazione di successo di cognizione con tDCS sono: 1) adattare compito difficoltà di livello di prestazioni dei partecipanti; 2) posizionamento coerente e preciso dell'elettrodo di stimolazione sulla regione del cervello desiderata; 3) garantire tcappello sia elettrodi sono tenuto umido durante il periodo di stimolazione per evitare lo stimolatore spegnimento (inumidire con soluzione salina extra se necessario). E 'anche importante per rassicurare i partecipanti (ansia riducendo) che le sensazioni provate durante la stimolazione scompare dopo pochi secondi - lasciando tDCS inosservato. Modifiche future potrebbero includere la somministrazione di tDCS durante l'esecuzione dell'attività (o almeno così si sovrappone con comportamento) per studiare gli effetti sulla linea. Prestazioni Task sarebbe poi confrontata tra condizioni attive e di base (ad esempio, sham e / o catodica vs sham anodica vs), piuttosto che il confronto delle prestazioni prima e dopo il periodo di stimolazione. L'efficacia a lungo termine della stimolazione DC è anche la pena di esplorare dal punto di vista dell'utilizzo di tDCS a rimediare i sintomi di disfunzione cognitiva, insieme a paradigmi che possono produrre effetti più robusti. Questo può comportare protocolli che offrono una successione di periodi di stimolazione brevi (piuttosto che un singolo block), per cui le successive sessioni di tDCS 'top-up' gli effetti della sessione precedente. Fornire più sessioni di stimolazione può produrre aumenti cumulativi in ​​termini di prestazioni, piuttosto che modifiche minori che si sviluppano più lentamente nel corso di una singola sessione. Sfide come queste e anche indicazioni future per la ricerca clinica con tDCS sono stati esaminati dagli Brunoni e colleghi 49.

Il potenziale per l'utilizzo di tDCS come strumento terapeutico per rimediare i sintomi cognitivi di alcune malattie non farà che emergere una volta la procedura è stata meglio compresa e masterizzato. Per esempio, gli effetti della tDCS oltre corteccia motoria sono recentemente stati trovati per essere altamente variabile tra gli individui, e non sempre polarità specifica 22,23. Lo stesso è stato detto anche per gli effetti della tDCS nel dominio cognitivo 23. C'è ancora una limitata su di dati relativi agli effetti neuro-potenziamento di tDCS in generale. Ma può essere il caso thin off-line effetti tDCS sul cervelletto sono più in grado di migliorare il comportamento quando i partecipanti devono impegnarsi pienamente con un compito cognitivo difficile, o quando trovano il difficile compito di eseguire perché richiede alle WM e risorse attentive. Questa visione suggerisce che gli effetti di cerebellare-tDCS sulla cognizione può essere task- o load- dipendente: mediata magari migliorare le funzioni cognitive in alcune parti del percorso cerebro-cerebellare che sono attivi durante la stimolazione. Questa interpretazione dei nostri dati paralleli e con quella degli effetti sulla linea di tDCS sulla cognizione, che sono attualmente ritenuti essere sensibile allo stato della rete attiva durante il tempo di stimolazione 50. TDCS non può portare a cambiamenti nelle prestazioni se ci sono risorse cognitive sufficienti per svolgere bene il compito, ma solo quando il sistema è impegnato in modo che utilizzi più risorse. Infatti, gli studi fMRI mostrano come l'attività neurale in una rete fronto-parietale è positivamente correlata con una maggiore complessità compito 51.

Per concludere, l'articolo descrive una procedura di stimolazione cervello che tDCS utilizzato per stimolare il cervelletto durante una serie di operazioni di elaborazione delle informazioni con diversi carico cognitivo, in cui catodica depressione dell'attività cerebellare (e non anodica eccitazione) migliorare le prestazioni durante attentionally impegnativo e difficile compiti cognitivi. Abbiamo speculato se questo potrebbe essere raggiunto dis-inibizione regioni WM della corteccia prefrontale: liberando risorse cognitive extra quando alcuni compiti sono difficili da eseguire. Una migliore comprensione dei singoli fattori che determinano l'efficacia della tDCS è ora necessario che si spera emergeranno da ulteriori studi, insieme con i protocolli perfezionati per fornire stimolazione elettrica del cervello in popolazioni sane e pazienti. Pertanto, gli sforzi futuri potrebbero essere guidati verso rimediare i sintomi cognitivi di alcune malattie usando elettr transcranicastimolazione cerebrale iCal come strumento di riabilitazione cognitiva per modulare circuiti cerebro-cerebellare.

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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Modulante Cognition Utilizzando transcranica diretta stimolazione attuale del cervelletto
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Pope, P. A. Modulating Cognition Using Transcranial Direct Current Stimulation of the Cerebellum. J. Vis. Exp. (96), e52302, doi:10.3791/52302 (2015).

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