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Behavior

Cognición modulante Usando transcraneal directa Estimulación actual del cerebelo

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

Abstract

Numerosos estudios han surgido recientemente que demuestran la posibilidad de modular, y en algunos casos mejorar, procesos cognitivos por regiones del cerebro implicadas en emocionantes memoria y la atención de trabajo utilizando transcraneal estimulación eléctrica del cerebro. Algunos investigadores creen ahora que el cerebelo apoya la cognición, posiblemente a través de un efecto neuromodulador remoto en la corteza prefrontal. En este trabajo se describe un procedimiento para investigar el papel de cerebelo en la cognición mediante la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS), y una selección de tareas de procesamiento de información de diversa dificultad de la tarea, que se ha demostrado previamente para involucrar a la memoria de trabajo, la atención y el funcionamiento del cerebelo . Una tarea se llama el ritmo personal auditivo Serial Addition Task (PASAT) y el otro una nueva variante de esta tarea llamado a ritmo auditivo Serial Sustracción de tareas (PASST). También se investigaron Una tarea de generación de verbo y sus dos controles (sustantivo y verbo de lectura). Los cinco tpide fueron realizados por tres grupos separados de los participantes, antes y después de la modulación de la conectividad cortico-cerebelosa utilizando anódica, catódica o tDCS farsa sobre la corteza cerebelosa derecha. El procedimiento muestra cómo el rendimiento (precisión, la latencia de respuesta verbal y la variabilidad) se podrían mejorar selectivamente después de la estimulación catódica, pero sólo durante las tareas que los participantes calificaron como difícil, y no es fácil. Rendimiento se mantuvo sin cambios por anódico o estimulación simulada. Estos hallazgos demuestran un papel para el cerebelo en la cognición, por lo que la actividad en la corteza prefrontal izquierda es probable dis-inhibida por tDCS catódica más de la corteza cerebelosa derecha. La estimulación cerebral transcraneal está creciendo en popularidad en varios laboratorios y clínicas. Sin embargo, las secuelas de tDCS son inconsistentes entre los individuos y no siempre polaridad específica, e incluso pueden ser task- o carga específica, todo lo cual requiere más estudio. Los esfuerzos futuros también podrían ser guiados hacia neuro-enhancuna vez que ha surgido una mejor comprensión de los mecanismos de estimulación cerebral en pacientes ele- cerebelosos se presentan con deterioro cognitivo.

Introduction

La electricidad ha sido utilizado en la medicina por más de 100 años. Hoy en día, la estimulación cerebral se está acostumbrando más frecuentemente en varios laboratorios y clínicas como herramienta de investigación para probar hipótesis acerca de cómo las funciones motoras y cognitivas son realizadas por el cerebro y el cerebelo, y cómo las conexiones entre estas dos regiones del cerebro apoyan estas funciones. Con respecto a la cerebelo, esto es en parte debido a que los hemisferios cerebelosos laterales, que se cree que participan en la cognición (ver más abajo), son accesibles a la estimulación eléctrica transcraneal, son sensibles a los efectos de las corrientes de polarización, y porque el procedimiento es relativamente barato y fácil de realizar en los participantes humanos. El procedimiento de estimulación cerebral se describe en el presente artículo se muestra cómo los procesos cognitivos como la memoria de trabajo y la atención pueden ser facilitados durante las tareas que son "más" en lugar de "menos" cognitivamente exigente 1. El interpretarción de estos resultados de tareas específicas, están firmemente limitada por una comprensión de la fisiología de la vía cerebro-cerebelosa. Neuro-efectos de mejora, incluso cuando las tareas son difíciles, también se observan después de la estimulación eléctrica de la corteza prefrontal 2,3,4,5.

El cerebelo tiene un papel importante en la predicción, el calendario y la ejecución de los movimientos 6. Sin embargo, varias líneas de investigación sugieren ahora que el cerebelo puede influir en los procesos cognitivos. En el dominio anatómica, por ejemplo, numerosos estudios han sugerido que las conexiones recíprocas entre regiones de la corteza prefrontal y el cerebelo (es decir, la vía de cerebro-cerebelosa) podrían apoyar la cognición 7,8,9,10,11,12. En el ámbito clínico, algunos pacientes con daños en las partes específicas del cerebelo posterior se presentan con problemas intelectuales y emocionales cuyos síntomas se conceptualizan en la hipótesis de 'dismetría del pensamiento ", yclínicamente se denomina "síndrome cognitivo afectivo cerebeloso (CCAS), mientras que aquellos con daños en anteriores partes del cerebelo, se presentan con deficiencias motoras (por ejemplo, ataxia) y conceptualizado como" dismetría de movimiento '13,14,15. En el dominio de imagen cerebral, Schmahmann y colegas 16,17 han utilizado imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) y la conectividad funcional para mapear regiones de tareas específicas del cerebelo y las conexiones de estas zonas hará con el lóbulo prefrontal durante las tareas motoras y cognitivas.

Las tareas cognitivas presentados en este estudio se seleccionaron debido a que han sido previamente demostrado para activar denominadas regiones no motores del cerebelo. Pero también nos permitieron partición fuera del motor y componentes de tareas cognitivas, lo cual se logró mediante la variación del nivel de relación cognitiva a las demandas de motor que se requieren para llevar a cabo correctamente, y la intervención de un pr estimulación cerebralocedure que ha sido previamente demostrado que modulan las relaciones cerebro-conducta. Los recientes intentos para modular la función cerebral y el comportamiento han incluido el uso de corrientes de polarización de todo el cuero cabelludo, denominado, la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS). De hecho, los médicos han sido estimulantes de la corteza cerebelosa con electrodos implantados en poblaciones de pacientes desde los años 1970 con resultados alentadores terapéuticas 18. Hoy en día, la estimulación del cerebro a través del cuero cabelludo se realiza para ser útil para el estudio de las relaciones cerebro-conducta en los participantes sanos.

TDCS en humanos normalmente implica la entrega de un bajo (1-2 mA) de corriente continua (DC) de forma continua a través de un par de electrodos remojados en solución salina durante 15-20 min. Un montaje del electrodo típico para estimular el cerebro podría implicar una (anódico) electrodo se coloca en la cabeza (más de la región del cerebro de interés), y el otro (catódica) electrodo se coloca en la mejilla (cefálica) o el hombro (sin-n cefálica) en el lado contralateral del cuerpo. En el caso de estimular el cerebelo, el flujo de corriente intracerebral entre los dos electrodos tiene relativamente poca propagación funcional para las regiones cercanas (por ejemplo, la corteza visual 19) y se cree que excitar o deprimir las células de Purkinje en la corteza cerebelosa 20, produciendo tanto neurofisiológico y de comportamiento cambios. La propagación de la corriente y los efectos de cerebelo-tDCS en humanos se infiere de los datos de modelización o de estudios en animales, y de los efectos indirectos sobre la corteza motora. En el motor de dominio, los efectos también se demuestra que son de polaridad específica como lo demuestran las consecuencias de la estimulación del cerebelo en la excitabilidad de la corteza motora 20. Por ejemplo, la estimulación anódica generalmente tiene un efecto excitador y aumenta la producción de células de Purkinje; el aumento de la inhibición de la vía de facilitador de los núcleos cerebelares a la corteza cerebral, mientras que la estimulación catódica tiene generalmente un efe opuestoct es decir, la desinhibición de la corteza cerebral mediante la reducción de la inhibición de células de Purkinje de los núcleos cerebelares. Estudios anatómicos en primates revelan cómo las células de Purkinje podrían ejercer una unidad de facilitación en ambos circuitos cognitivos del motor y, a través de un relé sináptica en el tálamo ventral-lateral 21. Sin embargo, estudios recientes tDCS en humanos sugieren que la distinción anodal catódica puede no ser clara. Por ejemplo, los efectos después de la de tDCS más corteza motora son muy variables entre los individuos, y no siempre son de polaridad específica 22. Críticas similares también se aplican a resultados en el dominio cognitivo 23. Esto puede ayudar a explicar por qué los efectos sobre las funciones cognitivas son más difíciles de detectar y de interpretar que los efectos directos del cerebelo en las áreas motoras debido a la inhibición del cerebelo del cerebro (CBI 20). Estas observaciones ponen de relieve la necesidad de comprender mejor los factores individuales que determinan la eficacia de estim cerebroion, y para desarrollar protocolos mejorados para estimular el cerebro.

Los cambios en las funciones de ambos motores y cognitivos son fisiológicamente plausible, a través de la estimulación eléctrica de la vía cerebelo-tálamo-cortical 24. En cuanto a las funciones cognitivas, un efecto modulador del cerebelo-tDCS en la memoria de trabajo verbal ha informado 25,26. Y los efectos duraderos sobre la cognición de las regiones de la corteza prefrontal estimulante también se observan 2,3,4,5. Sin embargo, los efectos fisiológicos de la estimulación cerebral sobre las neuronas son diferentes dependiendo de si el comportamiento se prueba (efectos sobre la línea) durante o después (efectos fuera de línea) el periodo de estimulación 27. Se ha sugerido que los efectos en línea pueden incluir cambios en el medio ambiente intracelular (por ejemplo., Concentraciones de iones) y el gradiente electroquímico (por ejemplo, los potenciales de membrana), mientras que los efectos fuera de línea pueden incluir cambios de mayor duración en el activi neuralTy debido a procesos intracelulares alteradas (por ejemplo, la plasticidad receptor) 27. El presente estudio investiga los efectos fuera de línea, lo que se aplica tDCS en el intervalo entre dos sesiones de pruebas cognitivas y el comportamiento se compara entre las dos sesiones.

La investigación de un papel para el cerebelo en la cognición es asistido por el uso de las tareas que se han demostrado previamente para involucrar funcionamiento del cerebelo. Una tarea en particular implica un razonamiento aritmético y la atención dividida y se llama el ritmo personal Auditiva Adición de serie de tareas (PASAT 28). Se ha utilizado ampliamente para evaluar diversas funciones cognitivas en ambas poblaciones sanas y de pacientes. La prueba consiste típicamente participantes escuchan a los números presentados cada 3 s, y añadiendo el número que escuchan al número que escucharon antes (en lugar de dar un total acumulado). Es una tarea difícil e impone un alto grado de WM, la atención y la capacidad aritmética. También implica actividad en el cerebro y el cerebelo asociada a estos elementos particulares de la tarea como se revela en la PET y la RM 29 30. Para hacer la tarea más difícil y cognitivamente exigente attentionally (confirmado por otros en un estudio reciente 31, las instrucciones originales fueron cambiadas para que los participantes tenían que restar el número que escuchan de la cantidad que escucharon antes. Llamamos a esta nueva tarea la ritmo Auditory Serial resta de tareas (PASST 1), y es más difícil de realizar que la PASAT como se evidencia por las puntuaciones subjetivas de dificultad de la tarea y tiempos de reacción significativamente más largos 1. Ambas versiones de la tarea se incluyeron de manera que uno era más difícil y cognitivamente exigiendo attentionally de realizar que la otra, mientras que las demandas de motor (operaciones del habla encubierta) fueron comparables entre las tareas. Si el cerebelo está involucrada en la cognición, entonces perturbar su función con tDCS podría interferir con la función de este sESTRUCTURA durante la ejecución en el PASST, pero no necesariamente en el PASAT.

Otra tarea utilizado ampliamente para investigar un papel para el cerebelo durante aspectos del habla y lenguaje de la cognición es la generación de tareas Verbo (VGT 32,33,34,35,36,37). Al igual que el PASAT, se ha utilizado ampliamente para probar la memoria de trabajo verbal en poblaciones sanas y de pacientes. Básicamente, la VGT requiere participa decir en voz alta un verbo (por ejemplo, la unidad) en respuesta a un sustantivo presentado visualmente (por ejemplo, el coche), en comparación con el rendimiento en una tarea de control mediante el cual los participantes leyeron los nombres en voz alta. Generación de verbos y sustantivos de lectura tienen exigencias perceptivas y motoras similares, pero diferentes demandas WM verbal (es decir, mayor de análisis semántico). Y una mayor actividad en una red de cerebro-cerebelosa está asociado con la generación de los verbos en comparación con la lectura de los nombres 34,35,36. Las palabras también se generan más rápidamente (un efecto de cebado) cuando las tareas sonrepitió utilizando las mismas palabras (en orden aleatorio) a través de bloques, y aumenta la actividad de cerebro-cerebelosa como se observa en la PET y fMRI 33 37.

En este artículo, se describe un procedimiento para la aplicación tDCS sobre el cerebelo para investigar el papel de esta estructura cerebral en la cognición, junto con dos aritmética (experimento uno) y tres tareas lingüísticas (experimento dos) de diferente dificultad, que tres grupos separados de participantes realizaron antes y después del periodo de estimulación. La hipótesis, dado un papel para el cerebelo en la cognición, que el rendimiento en las tareas más exigentes (es decir, PASST y generación verbo) se verían afectados más por tDCS (efectos fuera de línea) que el rendimiento en las tareas menos exigentes (PASAT y sustantivo / lectura verbo).

Protocol

NOTA: Todos los participantes dieron su consentimiento informado y el estudio fue aprobado por la Universidad de Birmingham Comité de Ética.

1. Pida al participante que lea la hoja de información y completar el screeningquestionnaire tDCS (Anexo 1), y si no hay contraindicaciones para tDCS escénicas, pedirles que firmen el formulario de consentimiento.

2. Lleve a cabo el experimento de un (tareas de cálculo) y experimentar dos (tareas lingüísticas), uno tras otro, con el fin pseudo-aleatorio, antes (una sesión) y después (segunda sesión) el periodo de estimulación en una habitación tranquila para reducir las distracciones y permitir el registro preciso de los tiempos de respuesta auditiva, que se calculan fuera de línea.

3. En el experimento uno, presentan los estímulos auditivos (es decir., Números) durante un auricular (Tabla de Materiales / Equipos). En el experimento dos, presentar los estímulos visuales (es decir, palabras) en una pantalla de ordenador. En ambos experimentos, la puerta headset micrófono por la amplitud de las respuestas auditivas de los participantes.
NOTA: Todas las tareas fueron computarizado y corrieron en un ordenador portátil controlado por la presentación del estímulo y el software de grabación (Tabla de Materiales / Equipos).

4. Al final, explique a los participantes el propósito del estudio (es decir, interrogar), y pedirles que calificaran la dificultad de cada tarea en una escala de 1 (Fácil) - 10 (duro). Además, explicar a los participantes a no tomar parte en otro experimento estimulación cerebral durante al menos 7 días, y ponerse en contacto con el experimentador si deben sentir los efectos adversos de tDCS.

5. Experimento Uno (tareas de cálculo)

5.1) Realizar el ritmo personal Auditiva serie de tareas Adición

NOTA: El PASAT viene en un segundo 3 y una versión de 2 seg.

  1. Utilice los 60 puntos cada uno figuran en las versiones 3 seg y 2 seg para la tarea de suma y resta la tarea, respectivamente. Ademmineral, utilice los elementos de la PASAT-Form A antes del periodo de estimulación (una sesión), y los elementos de la PASAT-Forma B, después del periodo de estimulación (segunda sesión).
    NOTA: contrarrestar el orden en el que los participantes realizan la PASAT y el PASST, por lo que el rendimiento en una tarea no se transfiere a la otra.
  2. Siente al participante en frente de la pantalla del ordenador y explicarles que van a escuchar una serie de números a través de los auriculares, y que van a ser necesarios para agregar el número que escuchan al número escucharon inmediatamente antes y después vocalizar la respuesta, y continuar añadiendo el número que escuchan a la anterior (y no para dar un total acumulado). Coloque el micrófono delante de la boca de los participantes antes de iniciar la tarea.
  3. Iniciar la tarea y pedir al participante que lea las instrucciones estándar que se presentan en la pantalla del ordenador, lo que explica formalmente cómo realizar la PASAT. Llevar a cabola tarea una vez que el participante haya entendido completamente las instrucciones.
    NOTA: Un ejemplo escrito también se les presenta. Estas instrucciones son similares a los de la versión original de la tarea.
  4. Durante la tarea, anote cada respuesta en la hoja impresa (Apéndice 2) de control a posteriori. Dar sin puntaje si el participante proporciona una respuesta incorrecta o no responde. Asegúrese de que los estímulos son audibles para que la tarea se puede seguir (presentar alternativamente el experimento a través de altavoces), y marque cada respuesta correcta a su vez.
  5. Informe a los participantes que no hablan y / o realizar cálculos orales (o utilice los dedos para ayudar a rendimiento) durante la tarea y que sólo la respuesta se debe hablar en voz alta.

5.2) Realizar el ritmo personal Auditiva serie de tareas Resta

  1. Diga a los participantes que las instrucciones para la tarea de sustracción (PASST) son los mismos para la tarea de suma (PASAT), excepto que esta vez sonnecesaria para restar el número que escuchan de la cantidad que escucharon inmediatamente antes de ella, y luego vocalizar la respuesta, y seguir restar el número que escuchan de la inmediatamente antes de que (y no para dar un total acumulado). Una vez más, asegúrese de que el micrófono no se ha alejado de la boca del participante.
  2. Una vez que el participante haya leído las instrucciones que se les presentan en la pantalla de la computadora para realizar la tarea resta y plenamente comprendido - llevar a cabo la tarea. Una vez más, recordar a los participantes no para realizar cálculos por vía oral o con la ayuda de los dedos.

5.3) Perforing las sesiones de práctica (PASAT Y PASST)

NOTA: Una sesión de práctica se lleva a cabo por cada participante antes de llevar a cabo cada tarea en el experimento uno para determinar la velocidad a la que los participantes pueden realizar las tareas dentro de un cierto límite para evitar los efectos de techo. Lograr esto mediante la inclusión de 45 objetos en las práctica (a diferencia de los originales 10 artículos).

  1. Explique a los participantes que van a realizar la PASAT y / o el PASST (dependiendo de la tarea se va a realizar en primer lugar), como se describe anteriormente. Sólo durante la sesión de práctica, aumentar la tasa de presentación de los elementos auditivos mediante la reducción del intervalo entre estímulos de 300 ms después de cada bloque de cinco artículos, entre el rango de 4.2 a 1.8 segundos de intervalo.
  2. Durante la práctica, tenga en cuenta el tipo de presentación que hizo que el participante para hacer 3 errores consecutivos (pero permitir que terminen la sesión de práctica), y el uso de la tasa anterior a este punto de corte durante la tarea.
  3. Seleccione el tipo de presentación del estímulo para cada participante, y mantener esta tasa entre las sesiones de uno y dos (es decir., Antes y después de la estimulación). Déle al participante un breve descanso entre cada tarea (aproximadamente 30 segundos).

6. Experiement Dos (Tareas de Idiomas)

60.1) Realización de la generación de tareas Verbos

NOTA: Realice la lectura sustantivo, la generación verbo y el verbo tarea de leer en este orden (separados por un breve descanso) para que las palabras que se presentan en la tarea verbo leer no purga una respuesta más rápida en la tarea de generación de verbo. Cada tarea se compone de 3 palabras de práctica y 6 bloques de 10 ensayos.

  1. Construir una lista de 40 nombres concretos relacionados con las herramientas / objetos que puedan ser manipulados con las manos o los pies, y 40 verbos concretos relacionados con las acciones realizadas con las herramientas / objetos de un grupo independiente de los participantes mediante el cual se generan los mismos pares nombre-verbo en más de la mitad del grupo como en Papa y Miall 1. Evitar pares nombre-verbo que generan las mismas respuestas (por ejemplo, la cena comer, manzana-comer) o no se refieren a las acciones humanas (por ejemplo, horno-horneado). Presente la mitad de las palabras en una sesión y la otra mitad en la segunda sesión.
  2. Explique a los participantes que have decir un verbo apropiado (por ejemplo, la unidad) en respuesta al sustantivo presentado (por ejemplo, un coche). Aclarar esta relación sustantivo y verbo a los participantes al comienzo de la tarea.
  3. Presentar las palabras centralmente en la pantalla del ordenador en un orden aleatorio diferente en bloques de 1-5 (palabras repetidas), y presentar nuevas palabras en el bloque 6 (novela palabras). Asegúrese de que cada palabra se sustituye por el siguiente palabra cuando el micrófono detecta una respuesta.
    NOTA: Asegúrese de que las listas de palabras en sesiones de una y dos son diferentes, y contrarrestados entre los participantes.
  4. Iniciar la tarea y pedir al participante que lea las instrucciones estándar que se presentan en la pantalla del ordenador, lo que explica formalmente cómo realizar la tarea de generación de verbo.
  5. Una vez que el participante ha comprendido plenamente la tarea, coloque el micrófono delante de la boca, y darles instrucciones para producir palabras tan pronto como aparecen en la pantalla del ordenador.
  6. Anote o grabe cada respuesta hablón en voz alta por el participante de control a posteriori. Tome nota de los errores o las respuestas perdidas.

6.2) Realizar las tareas de lectura nominal y verbal

NOTA: Presentar las palabras del mismo modo que en la tarea de generación de verbo. Los participantes leen los nombres en la tarea de lectura sustantivo, y los verbos en la tarea verbo leer.

  1. Para ambas tareas de lectura, instruir al participante a leer cada palabra en voz alta tan pronto como aparece en la pantalla del ordenador.
  2. Verifique que el participante ha leído cada palabra correctamente durante las dos tareas de lectura mirando la pantalla como las palabras se leen en voz alta.
    NOTA: Asegúrese de que la posición del micrófono no se ha movido de la boca del participante en entre tareas.

7. Realizar cerebelosa tDCS

NOTA: TDCS se considera seguro para su uso en seres humanos. Sin embargo, el investigador administrar tDCS en este estudio fue un encargado de primeros auxilios. Es advIsable que un socorrista está a la mano al realizar tDCS, para garantizar que la seguridad de los participantes no se vea comprometida si se sienten mal / débil durante el procedimiento. Nunca deje a un participante sin atención cuando se administre tDCS.

  1. Remojo dos electrodos de esponja (área de superficie = 25 cm 2) en una solución salina de NaCl al 0,9% estándar hasta que se saturan.
  2. Para administrar excitatorio (anódico) estimulación sobre la corteza cerebelosa derecha, coloque el electrodo rojo, 1 cm por debajo y 4 cm a la derecha de la proyección más prominente del hueso occipital (inion).
    NOTA: Esta posición lateral en el cuero cabelludo se aproxima a la ubicación del lóbulo cerebeloso VII.
  3. Para completar el montaje de electrodos, poner la referencia o electrodo catódico (azul) en el hombro derecho sobre el músculo deltoides.
  4. Para administrar inhibitoria (catódica) estimulación, repita el procedimiento anterior y coloque los dos electrodos de esponja al revés (es decir,colocar el electrodo azul en la cabeza y el electrodo rojo en el hombro).
  5. Para administrar tDCS farsa, entregar seudo estimulación (por ejemplo, 110 uA más de 15 ms, cada 550 ms) durante 20 minutos en lugar de la corriente de estimulación. Coloque los dos electrodos al igual que el anterior, pero contrarrestar la posición de los electrodos rojos y azules entre los participantes en el grupo de tratamiento simulado.
  6. Asegure los electrodos húmedos firmemente a la cabeza y parte superior del brazo con correas de goma o plástico de auto-adherente. Coloque un poco de toalla de papel alrededor de la parte posterior del cuello del participante para absorber el goteo de solución salina.
    NOTA: Verifique que la posición prevista de los electrodos no se ha movido después de que hayan sido asegurados. Para garantizar una óptima interfaz electrodo-piel, asegúrese de que los electrodos se colocan planos sobre el cuero cabelludo, y no sobre el cabello.
  7. Para inicio y compensar cada aumento de la estimulación de intervención y reducir, respectivamente, la corriente DC de una manera de rampa durante 10 s 38,39.Ajuste la intensidad de la estimulación a 2 mA y entregar durante 20 minutos usando un estimulador DC-corriente regulada fiable (Tabla de Materiales / Equipos).
    NOTA: Esta intensidad es similar a la utilizada por otros 25, y se considera un nivel seguro de exposición 40, muy por debajo del umbral de causar daño a los tejidos 41.
  8. Dígale al participante para descansar / relajarse durante el periodo de estimulación, y disuadirlos de uso de dispositivos electrónicos, por lo que para evitar la introducción de variables de confusión que potencialmente pueden influir en el resultado del experimento.
    NOTA: Es común que los participantes se sientan una sensación de picazón leve en uno o en ambos sitios de los electrodos (y / o un sabor metálico en la boca) cuando comience la corriente de estimulación. Asegure a los participantes que estas sensaciones desaparecen después de unos segundos - se deja tDCS desapercibida.
  9. Aplicar anódica, catódica o estimulación simulada a tres grupos distintos de participantes en seudo ord azar(participantes entre-, muestras relacionadas) er. Asegúrese de que el número total, el género y la edad promedio de los participantes es comparable entre los grupos como en el Papa y Miall 1.

8. Después de la estimulación cerebral, repita el PASAT (pasos 5.1-5.1.5) y el PASST (pasos 5.2-5.2.2) en un orden de contrapeso, y las tareas de nombre y verbo de lectura (pasos 6.2-6.2.2) y el tarea de generación de verbo (pasos 6.1-6.1.6) en esta orden. Realizar un experimento (tareas de cálculo) y experimentar dos (tareas lingüísticas) con el fin pseudo-aleatorio. No proporcionar la práctica en cada tarea siguiente stimuation cerebro.

NOTA: En otros estudios de la cognición, la estimulación real y la falsa se ​​ha aplicado a la misma cohorte (dentro de participantes, muestras relacionadas), separados por una duración de lavado de al menos 5-7 días 25,26. Sin embargo, la diferenciación de farsa y la estimulación real es más fácil en las fortalezas actuales superiores 42. Esto podría ser problemático en un conen los participantes el diseño, pero no así en un diseño entre los participantes como se describe aquí.

Representative Results

Análisis de Datos

En el experimento uno, se analizaron los resultados en términos del número de respuestas correctas o precisión resultados (expresados ​​como porcentaje de respuestas correctas), y la media y la variabilidad (desviación estándar) de los tiempos de respuesta verbal de los participantes utilizando ANOVAs mixtas separadas, tanto para tareas ( PASAT vs. PASST), entre Sesiones (antes versus después) ya través de Grupos (anódica, catódica o tratamiento simulado). En el experimento dos, la media y la variabilidad de las respuestas verbales de los participantes se analizaron mediante la comparación entre el primer (Bloque 1) y la última (Bloque 5) conjunto de palabras repetidas (cantidad total de aprendizaje) utilizando ANOVAs mixtos separados dentro de cada tarea (verbo generación lectura vs. sustantivo vs. lectura verbo), Sesión (antes versus después) y Grupo (anódica, catódica o tratamiento simulado). Los resultados de las respuestas incorrectas fueron excluidos de todos los análisis de datos, junto con las respuestas que se han prolongado (superior a + 2 DE de la media) en un solo experimento dos.

ove_content "> Experimento Uno (tareas aritméticas)

Estímulo Presentación Rate

Pruebas t por pares ajustados para comparaciones múltiples confirmaron que las tasas de presentación de estímulo-participantes específicos establecidos durante la práctica no difirió significativamente entre los tres grupos (sham, anódico y grupos catódica, 2,56, 2,50 y 2,49 segundos, respectivamente, F 2, 63 = 0,23 P = 0,79).

Precisión Puntuaciones

El número de respuestas correctas aumentó en la sesión de dos (84,47%) en comparación con el período de sesiones un (76,30%), presumiblemente debido a la práctica (Figura 1), pero más aún después catódica (77,50 vs. 89,32%), que después anódico (77,80 vs . 82.80%) o falsa (77,81 vs. 80,91%) la estimulación, como lo confirma una interacción Sesión x Grupo de Tarea X que fue significativa con ANOVA (F 2,63 = 4,61, p <0,05).

Figura 1
Figura 1: Precisión. Puntuaciones antes y después de tDCS cerebelosos El número de respuestas correctas (media 1 SEM, n = 20) mejorado selectivamente después de la estimulación catódica de sesión de un (pre-estimulación) para la segunda sesión (después de la estimulación), significativamente más en la tarea de resta (PASST) que en la tarea de adición (PASAT). Los asteriscos indican diferencias significativas (P <0,05) según lo revelado con comparaciones pareadas corregidos. Esta cifra ha sido modificado por el Papa y Miall 1.

Los tiempos de respuesta verbal

Las respuestas correctas fueron significativamente más rápido durante el PASAT que durante el PASST (1.372 vs. 1.447 ms; F 1,57 = 11,70, p <0,001), y más aún después de tDCS (1.446 vs. 1.374 ms; F 1,57 = 36.43, P <0,001). De hecho, el Grupo de por sesión por la interacción de grupo fue casi significativa (F 1,57 = 2,65, P = 0,08), con lo que los tiempos de respuesta durante el PASST disminuyeron más después de la estimulación catódica (1509 vs. 1.322 mseg), que después anódica (1491 vs . 1427 ms) o falsa (1504 vs. 1427 ms) estimulación. Esta tendencia no fue evidente durante el PASAT.

La variabilidad del tiempo de respuesta

La consistencia de los tiempos de respuesta también disminuyó significativamente entre una sesión (386 ms) y dos (354 mseg; F 1,57 = 16,86, P <0,001) como se muestra en la Figura 2b. De especial interés, el Grupo x Sesión x interacción de grupo fue significativa (F 2,57 = 11,16, P <0,001). Este resultado sugiere que la variabilidad del tiempo de respuesta durante la PASST disminuyó más después catódica (403 vs.273 mseg), que después anódica (418 vs. 398 mseg) o tratamiento simulado (396 vs. 368 mseg). La reducción en la variabilidad del tiempo de respuesta fue igual en los tres grupos de estimulación durante la tarea de adición.

Figura 2
Figura 2: Los tiempos de (A) Media de respuesta verbal antes y después de tDCS cerebelo. La media de los tiempos de respuesta verbal de los participantes (media de 1 SEM, n = 20) mejorado selectivamente después de la estimulación catódica de sesión de un (pre-estimulación) para la segunda sesión (después de la estimulación), aunque no significativamente (P = 0,08) en el tarea que resta en la tarea de adición. Esta cifra ha sido modificado por el Papa y Miall 1. (B) Verbal variabilidad del tiempo de respuesta antes y después de tDCS cerebelo. La variabilidad (desviación estándar) de los tiempos de respuesta verbal de los participantes (media de 1 SEM, n = 20) a mejorar selectivamented significativamente después de la estimulación catódica entre las sesiones durante resta, pero no durante la adición. Esta cifra ha sido modificado por el Papa y Miall 1.

Experimento Dos (Tareas de Idiomas)

Aprendizaje total media

Se calculó un efecto de aprendizaje entre los bloques de 1-5 para cada participante y se encontró que ser comparables durante el sustantivo (0,03 seg) y el verbo (0,03 seg) tareas de lectura, pero mayor durante la tarea de generación de verbo (0.20 seg [Ver Figura 3] ) como lo revela un importante efecto principal de la Tarea (F 2,56 = 67,17, P <0,001). Curiosamente, una interacción Tarea x Grupo Sesión x significativo (F 4,114 = 2,44, P = 0,05) sugirió que tDCS mejora selectivamente aprendizaje entre sesiones sobre la tarea de generación de verbo después catódica (0,18 vs. 0,31 seg), pero no después anódico (0,18 vs. 0,17 seg) o simulada (0,17 vs. 0,19 seg).

Figura 3
Figura 3:. Aprendizaje total entre bloques repetidos media y media las respuestas (1 significan SEM, n = 20) entre los bloques 1-5 eran más rápido después de tDCS durante la generación verbo (VG) tarea, que durante el sustantivo lectura (NR), verbo lectura (VR) tareas. Los asteriscos indican diferencias significativas (P <0,05) según lo revelado con comparaciones pareadas corregidos. Esta cifra ha sido modificado por el Papa y Miall 1.

La variabilidad total de aprendizaje

La consistencia de aprendizaje entre los bloques 1-5 también se calculó (Ver Figura 4), ​​y se encontró que ser mejorado selectivamente durante la tarea de generación de verbo después catódica (0,08 vs. 0,19 seg), pero no después anódica (0,08 vs. 0,08 seg) o simulada (0,08 vs. 0,06 seg) tDCS como está marcado por un significant Sesión x Tarea x interacción de grupo, (F 4,114 = 2,23 p <0,05).

Figura 4
Figura 4:. La variabilidad total de aprendizaje entre los bloques repetidos La variabilidad de las respuestas (media SD 1 SEM, n = 20) entre bloques de 1-5 fueron más consistentes después tDCS durante la generación verbo (VG) tarea, que durante el sustantivo lectura ( NR), verbo leer (VR) tareas. Los asteriscos indican diferencias significativas (P <0,05) según lo revelado con comparaciones pareadas corregidos. Esta cifra ha sido modificado por el Papa y Miall 1.

Discussion

TDCS se ha convertido en una herramienta popular en los últimos años para el estudio de las relaciones cerebro-conducta. El presente artículo describe un procedimiento para la investigación de las funciones cognitivas del cerebelo utilizando tDCS y varias pruebas de la aritmética y el lenguaje que requieren distintos grados de la memoria de trabajo y atención. Los resultados para el experimento mostraron una estimulación cómo catódica de la exactitud hemisferio cerebeloso derecho mejorado tarea y variabilidad de la respuesta verbal (en relación con anódico y estimulación simulada) durante una tarea de procesamiento de información difícil y cognitivamente exigente que implica la resta mental (la auditiva tarea sustracción serial ritmo [ PASST]), pero no durante una versión más simple y menos exigente que implica la adición mental (la tarea de serie auditivo ritmo Además [PASAT]). Desde ambas tareas comparten control similar del motor (es decir, operaciones verbales), pero la carga cognitiva diferente (es decir., Esfuerzo mental), especuló en nuestro estudio anterior1 que la depresión catódica de la corteza cerebelosa derecha podría liberar recursos cognitivos adicionales cuando demandas de la tarea son altos. Se esperaba catódica tDCS a hiperpolarizar el cerebelo, reducción de la producción de células de Purkinje, y reducir la inhibición del cerebelo del cerebro (CBI 20). Esta opinión es apoyada por el hallazgo de que la conectividad funcional entre el cerebelo y la corteza prefrontal (es decir, cerebelo-tálamo-cortical vía 10) durante la aritmética es tareas y dificultad-sensible 43. Los resultados del experimento no se puede explicar por un cambio en la contribución del cerebelo de control del motor, ya que éstos son comparables en el PASAT y el PASST, pero los procesos mentales necesarios para realizar la resta frente además son diferentes. Los resultados de este experimento sugieren que los efectos en lugar de cerebelar-tDCS sobre la cognición es probable task- o carga específica. En el experimento dos, la estimulación catódica también mejoró de forma selectiva la ejecución de tareas durante unprotocolo de lenguaje, de tal manera que las respuestas llegaron más rápido y fueron más consistentemente cronometrados más de cinco bloques consecutivos de ensayos en los que los participantes generaron verbos en respuesta a los nombres presentados visualmente. Este efecto priming complementa los resultados del experimento uno, así como los hallazgos de otros que muestran cómo tDCS anódico más de la corteza prefrontal dorsolateral izquierda (córtex prefrontal dorsolateral) puede mejorar la fluidez verbal y la imagen 40 latencias de denominación 41,44 - el apoyo a la hipótesis de que los mismos patrones de facilitación puede se observa después de tDCS catódica sobre el hemisferio cerebeloso derecho (como se observa en el experimento dos). Tomados en conjunto, estos resultados apoyan el papel de cerebelo - aunque indirecto - en el lenguaje, el aprendizaje y la memoria 45, dando más apoyo a la idea de que el cerebelo puede influir en los procesos cognitivos en la corteza prefrontal: un sitio importante para muchos la memoria de trabajo (WM ) para las operaciones.

Mejoras cognitivas are fisiológicamente plausible porque el cerebelo ejerce una influencia remota a través de la excitabilidad en el córtex prefrontal dorsolateral, a través de la excitación del cerebro - vía cerebelosa. Otra prueba de acoplamiento entre el cerebelo y la corteza prefrontal se describe en la obra de Hamada y sus colegas, en el que la plasticidad asociativa inducida por estímulos sensoriales / motor emparejados en 25 ms - emparejado estimulación asociativa (PAS), se observó a ser bloqueado por cerebellar- tDCS 46. Y sesiones diarias de la estimulación magnética transcraneal (TMS) en el cerebelo se ha demostrado mejorar el control postural y caminar, y la doble tarea en un paciente con atrofia cerebelosa 47. Estas mejoras motoras y cognitivas se caracterizaron por un aumento en los potenciales evocados motor inducidas por la estimulación cortical del motor cuando el cerebelo también se excita unos pocos milisegundos de antemano (investigados con doble bobina, TMS dos pulsos), debido a la inhibición del cerebelo del cerebro (reducida CBI) quedurado 6 meses después del tratamiento. Farzan y sus colegas 47 acreditan las mejoras en la función cognitiva a una consecuencia de la función motora mejorada y la liberación de los recursos para la ejecución de la doble tarea. La reducción de la CBI inducida por TMS también puede haber mejorado la función cortical prefrontal directamente, a través de emocionantes c erebro - circuitos del cerebelo - mejorar la capacidad cognitiva. Esta última explicación está de acuerdo con el observado utilizando los métodos descritos en el presente artículo que demuestran un procedimiento para mejorar selectivamente WM verbal después de cerebelar-tDCS.

Los métodos descritos aquí demuestran cómo la estimulación eléctrica del cerebro del cerebelo puede modular las funciones cognitivas y mejorar el rendimiento durante las tareas que requieren un alto nivel de carga cognitiva. Este hallazgo es paralelo a los efectos positivos de la estimulación del córtex prefrontal dorsolateral, que puede mejorar el rendimiento de la aritmética a través de largas duraciones 2 3. De hecho, más de tDCS corteza prefrontal pueden mejorar el rendimiento en una variedad de tareas cognitivas en participantes sanos de 4,5, llevando a los investigadores a emplear la estimulación eléctrica del cerebro como una herramienta terapéutica para el tratamiento de déficits cognitivos en pacientes después del accidente cerebrovascular 48, y en pacientes con enfermedad de Parkinson 41. De hecho, la orientación futura de tDCS incluyen su uso como una herramienta para modificar el comportamiento mediante la inducción de cambios duraderos en el cerebro. TDCS como una forma de terapia de estimulación cerebral vale la pena explorar en poblaciones de pacientes por razones obvias 24.

En este artículo, los pasos más críticos para el éxito de la modulación de la cognición mediante tDCS son: 1) la adaptación de tareas dificultad a nivel de rendimiento de los participantes; 2) la colocación consistente y precisa del electrodo de estimulación sobre la región del cerebro deseado; 3) la garantía de tsombrero de ambos electrodos se mantienen húmedos durante todo el periodo de estimulación para evitar que el estimulador de apagar (humedecidos con solución salina adicional si es necesario). También es importante tranquilizar a los participantes (la reducción de ansiedad) que las sensaciones se sintieron durante la estimulación desaparecerá después de unos segundos - se deja tDCS desapercibida. Las modificaciones futuras pueden incluir la administración de tDCS durante la ejecución de tareas (o por lo que se superpone con el comportamiento) para investigar los efectos en línea. Desempeño de tareas sería entonces compararse entre las condiciones activas y de referencia (es decir, anodal vs. farsa y / o catódica vs sham), en lugar de comparar el rendimiento antes y después del periodo de estimulación. La eficacia a largo plazo de la estimulación DC también vale la pena explorar desde la perspectiva de la utilización de tDCS para remediar los síntomas de la disfunción cognitiva, junto con los paradigmas que pueden producir efectos más robustos. Esto puede implicar protocolos que proporcionan una sucesión de períodos de estimulación cortos (en vez de un solo block), mediante el cual las sesiones posteriores de tDCS 'top-up' de los efectos de la sesión anterior. La entrega de múltiples sesiones de estimulación puede producir incrementos acumulativos en el rendimiento, más que cambios menores que se desarrollan más lentamente en una sola sesión. Retos como estos y también la orientación futura de la investigación clínica con tDCS han sido revisados ​​por Brunoni y colegas 49.

El potencial de uso de tDCS como herramienta terapéutica para remediar los síntomas cognitivos de ciertas enfermedades sólo surgirá una vez que el procedimiento ha sido mejor comprendido y dominado. Por ejemplo, los efectos de la tDCS más corteza motora Recientemente se han encontrado para ser muy variable entre los individuos, y no siempre la polaridad específica 22,23. Lo mismo se ha dicho de los efectos de tDCS en el dominio cognitivo 23. Todavía hay una limitada acerca de los datos relativos a los efectos neuro-estimulantes de tDCS en general. Pero puede ser el caso ésimoen off-line efectos de tDCS más el cerebelo son más capaces de mejorar el comportamiento cuando los participantes tienen que comprometerse plenamente con una tarea cognitiva difícil, o cuando encuentran la tarea difícil de realizar, ya que resulta muy exigente por WM y recursos de atención. Este punto de vista sugiere que los efectos de cerebelar-tDCS sobre la cognición pueden ser task- o load- dependiente: quizás mediada por mejorar las funciones cognitivas en las partes de la vía de cerebro-cerebelosa que son activos durante la estimulación. Esta interpretación de nuestros datos paralelos así con la de efectos sobre la línea de tDCS sobre la cognición, que se cree actualmente que ser sensible al estado de la red activa durante el tiempo de estimulación 50. TDCS puede no dar lugar a cambios en el rendimiento si hay recursos cognitivos disponibles suficientes para realizar bien la tarea, pero sólo cuando el sistema está comprometido para que utilice más recursos. De hecho, los estudios de resonancia magnética funcional muestran cómo la actividad neuronal en una red frontal-parietal es posititivamente correlacionado con el aumento de la complejidad de tareas 51.

Para concluir, este artículo describe un procedimiento de estimulación cerebral que utiliza tDCS para estimular el cerebelo durante una serie de tareas de procesamiento de información con diferentes carga cognitiva, en la que catódica depresión de la actividad cerebelosa (y no anódica de excitación) mejora el rendimiento durante attentionally exigente y difícil tareas cognitivas. Especulamos si esto podría lograrse mediante la desinhibición de las regiones WM de la corteza prefrontal: liberar recursos cognitivos adicionales cuando ciertas tareas son difíciles de realizar. Una mejor comprensión de los factores individuales que determinan la eficacia de tDCS Ahora se requiere que se espera que surjan de un mayor estudio, junto con los protocolos mejorados para la entrega de la estimulación eléctrica del cerebro en poblaciones sanas y pacientes. Por lo tanto, los esfuerzos futuros pueden ser guiadas para remediar los síntomas cognitivos de ciertas enfermedades utilizando electr transcranealLa estimulación cerebral ical como herramienta de rehabilitación cognitiva para modular circuitos cerebro-cerebelosa.

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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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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