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Behavior

Modulando Cognition Usando Transcraniana direto Estimulação atual do cerebelo

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

Abstract

Numerosos estudos têm surgido recentemente que demonstram a possibilidade de modular e, em alguns casos melhorando, por processos cognitivos regiões do cérebro envolvidas na memória excitantes e atenção a trabalhar utilizando a estimulação transcraniana eléctrica do cérebro. Alguns pesquisadores agora acreditam que o cerebelo suporta cognição, possivelmente através de um efeito neuromodulador remoto no córtex pré-frontal. Este artigo descreve um procedimento para investigar um papel para o cerebelo na cognição usando a estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC), e uma seleção de tarefas de processamento de informações de diferentes graus de dificuldade da tarefa, que foram anteriormente apresentadas para envolver a memória de trabalho, atenção e funcionamento do cerebelo . Uma tarefa é chamado o Paced Auditivo Serial Addition Task (PASAT) eo outro um romance variante dessa tarefa chamado de Paced Auditivo Serial Subtração Task (Passt). A tarefa de geração de verbo e seus dois controles (substantivo e verbo leitura) também foram investigados. Todos os cinco tsolicita foram realizadas por três grupos separados de participantes, antes e depois da modulação de conectividade cortico-cerebelar usando anódico, catódico ou ETCC sham sobre o córtex cerebelar direito. O procedimento demonstra como performance (precisão, latência de resposta verbal e variabilidade) poderia ser melhorado seletivamente após a estimulação catódica, mas somente durante as tarefas que os participantes classificados como difícil, e não é fácil. O desempenho foi inalterada por anodal ou estimulação sham. Estes resultados demonstram um papel para o cerebelo na cognição, em que a atividade no córtex pré-frontal esquerdo é provável dis-inibida por ETCC catódica sobre o córtex cerebelar direito. Estimulação cerebral Transcraniana está crescendo em popularidade em vários laboratórios e clínicas. No entanto, os efeitos pós-ETCC são inconsistentes entre as pessoas e nem sempre específicos de polaridade, e pode até ser-tarefa específica ou de carga, os quais requer um estudo mais aprofundado. Os futuros esforços pode também ser orientada para neuro-enhancemento em pacientes que se apresentam com cerebelares disfunção cognitiva uma vez uma melhor compreensão dos mecanismos de estimulação cerebral emergiu.

Introduction

A electricidade foi utilizado em medicina para mais de 100 anos. Hoje, a estimulação do cérebro está se tornando mais freqüentemente usada em vários laboratórios e clínicas como uma ferramenta de pesquisa para testar hipóteses sobre como funções motoras e cognitivas são executadas pelo cérebro e cerebelo, e como as conexões entre essas duas regiões do cérebro suportar essas funções. No que diz respeito ao cerebelo, isto é, em parte, porque os hemisférios cerebelares, que se pensa estarem envolvidos na cognição (ver abaixo), são acessíveis a estimulação transcraniana eléctrica, são sensíveis aos efeitos de correntes de polarização, e por o procedimento é relativamente barato e fácil de realizar em humanos participantes. O procedimento de estimulação cerebral descrita no presente artigo demonstra como processos cognitivos como memória de trabalho e atenção pode ser facilitada durante as tarefas que são "mais" em vez de "menos" cognitivamente exigente 1. O interpretarção destes resultados de tarefas específicas, estão firmemente restringida por um entendimento da fisiologia da via cerebro-cerebelar. Efeitos Neuro-aprimoramento, mesmo quando as tarefas são difíceis, também são observados após a estimulação elétrica do córtex pré-frontal 2,3,4,5.

O cerebelo tem um papel importante na previsão, timing e execução de movimentos 6. No entanto, várias linhas de investigação sugerem agora que o cerebelo pode influenciar os processos cognitivos. No domínio anatómica, por exemplo, vários estudos têm sugerido que as ligações recíprocas entre as regiões do córtex pré-frontal e o cerebelo (ie, a via cerebro-cerebelar) pode apoiar 7,8,9,10,11,12 cognição. No domínio clínico, alguns pacientes com danos a partes específicas do cerebelo posterior apresentam problemas emocionais e intelectuais cujos sintomas são conceituados na hipótese 'dysmetria do pensamento ", eclinicamente denominada "síndrome afetivo cognitivo cerebelar (CCAS), enquanto que aqueles com danos ao anterior porções do cerebelo, apresentam-se com deficiências motoras (por exemplo, ataxia) e conceituada como" dysmetria do movimento '13,14,15. No domínio de imagem cerebral, Schmahmann e colegas 16,17 usaram ressonância magnética funcional (fMRI) e conectividade funcional para mapear regiões de tarefas específicas do cerebelo e as conexões dessas áreas faz com o lobo pré-frontal durante tarefas motoras e cognitivas.

As tarefas cognitivas apresentados neste estudo foram seleccionados porque foram previamente mostrado activar chamadas regiões não-motoras do cerebelo. Mas eles também nos permitiu particionar fora do motor e componentes de tarefas cognitivas, que foi conseguido através da variação do nível das capacidades cognitivas em relação às exigências do motor que são necessários para realizá-las corretamente, e a intervenção de um pr estimulação cerebralocedure que tem sido mostrado previamente para modular relações cérebro-comportamento. Tentativas recentes de modular a função cerebral eo comportamento incluíram o uso de correntes de polarização em todo o couro cabeludo, denominado, a estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC). Na verdade, os médicos foram estimulando o córtex cerebelar com eletrodos implantados em populações de pacientes desde a década de 1970 com resultados encorajadores terapêuticas 18. Hoje, estimulando o cérebro todo o couro cabeludo é realizado para ser útil para estudar as relações cérebro-comportamento em participantes saudáveis.

TDCS em humanos normalmente envolve a entrega de uma baixa (1-2 mA) de corrente contínua (DC) de forma contínua através de um par de eletrodos embebido com solução salina por 15-20 min. A montagem eletrodo típico para estimular o cérebro pode envolver um (anodal) eletrodo de serem colocados na cabeça (sobre a região do cérebro de interesse), e o outro (catódica) eletrodo de serem colocados na bochecha (cefálica) ou no ombro (semn-cefálica), sobre o lado contralateral do corpo. No caso de estimular o cerebelo, o fluxo de corrente intracerebral entre os dois eléctrodos tem relativamente pouca disseminação funcional para regiões próximas (por exemplo, córtex visual 19) e é pensado para excitar ou deprimir células de Purkinje do córtex cerebelar 20, produzindo ambos neurofisiológicos e comportamental alterações. A disseminação da atual e os efeitos da cerebelar-ETCC em humanos são inferidos a partir dos dados de modelagem ou de estudos em animais, e dos efeitos indiretos sobre o córtex motor. No domínio motor, os efeitos também são mostrados para ser específico de polaridade como evidenciado pelas consequências da estimulação cerebelar no córtex motor excitabilidade 20. Por exemplo, a estimulação anódica geralmente tem um efeito excitatório e aumenta a produção de células de Purkinje; aumentando a inibição da via facilitadora dos núcleos cerebelares para o córtex cerebral, enquanto que a estimulação catódica tem geralmente um effe opostoct ou seja, dis-inibição do córtex cerebral, através da redução inibição de células de Purkinje do cerebelo os núcleos. Estudos anatômicos em primatas revelam como células de Purkinje poderia exercer uma unidade facilitadora para tanto do motor e circuitos cognitivos, através de um relé sináptica no tálamo ventral-lateral 21. No entanto, recentes estudos ETCC em humanos sugerem que a distinção anodal-cathodal pode não ser clara. Por exemplo, os efeitos de pós-ETCC mais de córtex motor são altamente variáveis ​​entre os indivíduos, e não são sempre 22 específicas de polaridade. Críticas similares também são cobradas para os resultados no domínio cognitivo 23. Isso pode ajudar a explicar por que os efeitos sobre as funções cognitivas são mais difíceis de detectar e de interpretar do que os efeitos diretos do cerebelo em áreas motoras, devido à inibição do cerebelo do cérebro (CBI 20). Essas observações apontam para a necessidade de compreender melhor os fatores individuais que determinam a eficácia de stimulat cérebroion, e desenvolver protocolos melhorados para estimular o cérebro.

Alterações nas funções tanto motoras e cognitivas são fisiologicamente plausível via estimulação elétrica da via-cerebelar-tálamo cortical 24. Com relação às funções cognitivas, um efeito modulador do cerebelo-ETCC em memória de trabalho verbal foi relatado 25,26. E os efeitos duradouros sobre a cognição de regiões do córtex pré-frontal estimulando também são observados 2,3,4,5. No entanto, os efeitos fisiológicos da estimulação cerebral nos neurônios são diferentes dependendo se o comportamento é testada (efeitos on-line) durante ou depois (efeitos off-line) o período de estimulação 27. Tem sido sugerido que os efeitos sobre-line podem incluir mudanças no ambiente intracelular (ex., As concentrações de íons) e do gradiente eletroquímico (por exemplo, os potenciais de membrana), enquanto os efeitos off-line podem incluir mudanças mais duradouras no activi neuralty devido a processos intracelulares alteradas (por exemplo, receptor de plasticidade) 27. O estudo investiga os efeitos off-line, em que ETCC é aplicada em entre duas sessões de testes cognitivos e comportamento é comparado entre as duas sessões.

Investigação de um papel para o cerebelo na cognição é assistida pelo uso de tarefas que tenham sido previamente demonstrado que envolvem funcionamento do cerebelo. Uma tarefa particular envolve raciocínio aritmético e atenção dividida e é chamado de Adição Serial Paced Auditivo Task (PASAT 28). Ele tem sido usado extensivamente para avaliar diversas funções cognitivas em ambas as populações saudáveis ​​e doentes. Normalmente, esse teste envolve participantes ouvindo os números apresentados a cada 3 s, e acrescentando o número ouvem ao número ouviram antes (em vez de dar um total de execução). É uma tarefa desafiadora e impõe um elevado grau de WM, atenção e capacidade aritmética. Envolve também a actividade no cérebro e cerebelo associada com esses elementos particulares da tarefa, conforme revelado em PET 29 e 30 de MRI. Para tornar a tarefa mais difícil e cognitivamente attentionally exigentes (como confirmado por outras pessoas em um estudo recente 31, as instruções originais foram alteradas para que os participantes eram obrigados a subtrair o número ouvem a partir do número ouviram antes. Nós chamamos essa nova tarefa a passeado Auditivo Serial Subtração Task (Passt 1), e é mais difícil de realizar do que o PASAT como evidenciado por avaliações subjetivas de dificuldade da tarefa e tempos de reação significativamente mais longos 1. Ambas as versões da tarefa foram incluídos de modo que um era mais difícil e cognitivamente attentionally exigente de realizar do que o outro, enquanto a demanda do motor (operações de fala secreta) foram comparáveis ​​entre as tarefas. Se o cerebelo está envolvido na cognição, em seguida, perturbando a sua função com ETCC pode interferir com o papel deste sstrutura durante a performance no Passt, mas não necessariamente no PASAT.

Outra tarefa amplamente utilizado para investigar um papel para o cerebelo durante a fala e linguagem aspectos da cognição é o Verbo Generation Task (VGT 32,33,34,35,36,37). Como o PASAT, tem sido amplamente utilizado para testar a memória de trabalho verbal em populações saudáveis ​​e doentes. Basicamente, o VGT requer participa de dizer em voz alta um verbo (por exemplo, unidade), em resposta a um substantivo apresentadas visualmente (por exemplo, carro), em comparação com o desempenho em uma tarefa de controle pelo qual os participantes lêem nomes em voz alta. Geração de verbos e substantivos de leitura têm demandas motoras e perceptivas semelhantes, mas diferentes demandas WM verbal (ou seja, uma maior análise semântica). E maior atividade em uma rede cerebro-cerebelar está associada com a geração de verbos em comparação com a leitura dos nomes 34,35,36. As palavras também são gerados mais rapidamente (um efeito de priming) quando as tarefas sãorepetido utilizando as mesmas palavras (em ordem aleatória) através de blocos e cérebro-cerebelar atividade aumenta conforme observado em PET 33 e fMRI 37.

Neste artigo, um procedimento é descrito para a aplicação de ETCC sobre o cerebelo para investigar um papel para essa estrutura cerebral em cognição, juntamente com dois aritmética (experimento um) e três tarefas de linguagem (experimento dois) de diferentes graus de dificuldade, sendo três grupos distintos de participantes realizados antes e após o período de estimulação. Nossa hipótese, dado um papel para o cerebelo na cognição, que o desempenho nas tarefas mais exigentes (ou seja, Passt e geração de verbos) seria afetado mais por ETCC (efeitos off-line) do que o desempenho nas tarefas menos exigentes (PASAT e substantivo / leitura verbo).

Protocol

NOTA: Todos os participantes deram consentimento informado eo estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Universidade de Birmingham.

1. Peça ao participante para ler a ficha de informação e completar a screeningquestionnaire ETCC (Anexo 1), e, se não houver contra-indicações para ETCC espectáculo, pedir-lhes para assinar o termo de consentimento.

2. Execute um experimento (tarefas de cálculo) e experimentar (duas tarefas de linguagem), um após o outro, em ordem pseudo-aleatório, antes (uma sessão) e depois (sessão dois) o período de estimulação em uma sala silenciosa para reduzir distrações e permitir a gravação precisa de tempos de resposta auditiva, que são calculados off-line.

3. No experimento um, apresentar os estímulos auditivos (ie., Números) ao longo de um fone de ouvido (Tabela de materiais / equipamentos). No segundo experimento, apresentar os estímulos visuais (ou seja, palavras) em uma tela de computador. Em ambos os experimentos, o portão headset microfone pela amplitude de respostas auditivas dos participantes.
NOTA: Todas as tarefas foram informatizados e correu em um computador portátil controlado por apresentação do estímulo e software de gravação (Tabela de materiais / equipamentos).

4. No final, explicar aos participantes o objetivo do estudo (ie, debrief), e pedir-lhes para avaliar a dificuldade de cada tarefa em uma escala de 1 (fácil) - 10 (duro). Além disso, explicar aos participantes para não participar de outro cérebro estimulação experimento por pelo menos 7 dias, e entrar em contato com o experimentador se eles devem se sentir quaisquer efeitos adversos da ETCC.

5. Experiment One (tarefas de cálculo)

5.1) Realizar o Paced Auditivo Serial Addition Task

NOTA: O PASAT vem em um segundo 3 e uma versão de 2 seg.

  1. Use os 60 itens cada contidos nas versões de 3 seg e 2 seg para a tarefa de adição e subtração a tarefa, respectivamente. Furthermminério, utilize os itens no PASAT-Form A, antes do período de estimulação (sessão um), e os itens da PASAT-Form B, após o período de estimulação (sessão de dois).
    NOTA: contrabalançar a ordem em que os participantes realizam o PASAT eo Passt, para que o desempenho em uma tarefa não transfere para o outro.
  2. Sente-se o participante na frente da tela do computador e explicar-lhes que eles estão indo para ouvir uma série de números através do fone de ouvido, e que eles vão ser obrigados a adicionar o número ouvem ao número ouviram imediatamente antes e depois vocalizar a resposta, e continuar a adicionar o número ouvem ao que antes dela (e não para dar um total de execução). Posicione o microfone na frente da boca do participante antes de iniciar a tarefa.
  3. Inicie a tarefa e pedir ao participante para ler as instruções padrão que são apresentadas na tela do computador, o que formalmente explica como executar o PASAT. Executara tarefa, uma vez que o participante tenha plenamente compreendido as instruções.
    NOTA: Um exemplo escrito é também apresentada a eles. Estas instruções são semelhantes aos da versão original da tarefa.
  4. Durante a tarefa, anote cada resposta na súmula impresso (Anexo 2), para posterior verificação. Dê nenhuma pontuação, se o participante fornece uma resposta errada ou não responder. Certifique-se de que os estímulos são audíveis para que a tarefa pode ser seguido (em alternativa, apresentar o experimento por meio de alto-falantes), e marcar cada resposta correta, por sua vez.
  5. Diga aos participantes para não falar e / ou realizar cálculos orais (ou use os dedos para ajudar performance) durante a tarefa e que só a resposta deve ser falado em voz alta.

5.2) Realizar o Paced Auditivo Serial Task Subtração

  1. Diga aos participantes que as instruções para a tarefa de subtração (Passt) são os mesmos para a tarefa de adição (PASAT), só que desta vez eles sãonecessário para subtrair o número ouvem a partir do número ouviram imediatamente antes e depois vocalizar a resposta, e continuar a subtrair o número ouvem daquele imediatamente antes (e não para dar um total de marcha). Mais uma vez, certifique-se de que o microfone não se afastou da boca do participante.
  2. Uma vez que o participante tenha lido as instruções que lhes são apresentados na tela do computador relacionadas à tarefa de subtração, e entendido completamente eles - realizar a tarefa. Mais uma vez, não lembrar aos participantes para realizar cálculos por via oral ou com a ajuda dos dedos.

5.3) perforing os treinos (PASAT E Passt)

NOTA: A sessão de prática é realizada por cada participante antes da realização de cada tarefa em um experimento para determinar a taxa na qual os participantes podem realizar as tarefas dentro de um certo limite para evitar os efeitos de teto. Conseguir isso, incluindo 45 itens durante pRÁTICAS (oposição aos originais 10 itens).

  1. Explicar ao participante que vão realizar o PASAT e / ou o paßt (dependendo de qual a tarefa a ser realizada pela primeira vez) como descrito acima. Apenas durante a primeira sessão de treinos, aumentar a taxa de apresentação dos elementos auditivos, reduzindo o intervalo inter-estímulo por 300 milissegundos após cada bloco de cinco itens, entre a faixa de intervalo de 4,2-1,8 segundos.
  2. Durante a prática, observe a taxa de apresentação que fez com que o participante para fazer 3 erros consecutivos (mas permitir-lhes para terminar a sessão de treinos), e utilizam a taxa anterior a este ponto de corte durante a tarefa.
  3. Selecione a taxa de apresentação do estímulo para cada participante, e manter essa taxa entre as sessões de um e dois (ie., Antes e após a estimulação). Dê ao participante uma pequena pausa entre cada tarefa (aproximadamente 30 segundos).

6. experiement Two (tarefas de linguagem)

60,1) Realizar o Verbo Generation Task

NOTA: Realize a leitura substantivo, o verbo e geração a tarefa verbo ler nesta ordem (separados por uma pequena pausa) para que as palavras apresentadas na tarefa verbo ler não privilegiada uma resposta mais rápida na tarefa de geração de verbos. Cada tarefa é composta de 3 palavras de prática e 6 blocos de 10 tentativas.

  1. Construir uma lista de 40 substantivos concretos relacionados com ferramentas / objetos que poderiam ser manipulados com as mãos ou os pés, e 40 verbos concretas relacionadas com as ações realizadas com as ferramentas / objetos de um grupo independente de participantes em que os mesmos pares substantivo-verbo são gerados por mais da metade do grupo como em Papa e Miall 1. Evite pares substantivo-verbo que geram as mesmas respostas (por exemplo, o jantar-comer, comer maçã) ou não se referem a ações humanas (por exemplo, forno de cozer). Metade presente as palavras sessão de uma e outra metade em sessão dois.
  2. Explique ao participante que have de dizer um verbo apropriado (por exemplo, unidade), em resposta ao substantivo apresentado (por exemplo, carro). Esclarecer essa relação substantivo-verbo aos participantes no início da tarefa.
  3. Apresente as palavras centralmente na tela do computador em uma ordem aleatória diferente em blocos 1-5 (palavras repetidas), e apresentar novas palavras no bloco 6 (palavras novas). Certifique-se de cada palavra passa a ter a seguinte palavra quando o microfone detecta uma resposta.
    NOTA: Certifique-se de que as listas de palavras em sessões de um e dois são diferentes, e contrapeso entre os participantes.
  4. Inicie a tarefa e pedir ao participante para ler as instruções padrão que são apresentadas na tela do computador, o que formalmente explica como executar a tarefa verbo geração.
  5. Uma vez que o participante tenha compreendido totalmente a tarefa, posicione o microfone na frente da boca, e instruí-los a produzir palavras assim que eles aparecem na tela do computador.
  6. Escrever ou gravar cada resposta faloun em voz alta pelos participantes para posterior verificação. Tome nota de quaisquer erros ou respostas perdidas.

6.2) Executar as tarefas de leitura nome e verbo

NOTA: Apresenta as palavras do mesmo modo que na tarefa de geração verbo. Os participantes lêem substantivos na tarefa de leitura substantivo, e verbos na tarefa verbo ler.

  1. Para ambas as tarefas de leitura, instruir o participante para ler cada palavra em voz alta, logo que aparece na tela do computador.
  2. Verifique se o participante tenha ler cada palavra corretamente durante ambas as tarefas de leitura, olhando para a tela como palavras estão sendo lido em voz alta.
    NOTA: Certifique-se de que a posição do microfone não se moveu da boca do participante entre as tarefas.

7. Realizar Cerebellar ETCC

NOTA: TDCS é considerado seguro para uso em seres humanos. No entanto, o pesquisador administrar ETCC neste estudo foi um socorrista. É advIsable que um socorrista está à mão ao realizar ETCC, para garantir que a segurança dos participantes não seja comprometida caso se sintam mal / desmaio durante o procedimento. Nunca deixe um participante sem vigilância quando se administra ETCC.

  1. Presoak dois eléctrodos de esponja (área superficial = 25 cm2) em uma solução salina de NaCl a 0,9% até padrão são saturados.
  2. Para administrar excitatório (anodal) estimulação sobre o córtex cerebelar direito, colocar o eletrodo vermelho, 1 cm abaixo, e 4 cm à direita da projeção mais proeminente do osso occipital (inion).
    NOTA: Esta posição lateral no couro cabeludo se aproxima do local do cerebelar lóbulo VII.
  3. Para completar a montagem do eletrodo, coloque o eletrodo referência ou catódica (azul) no ombro direito sobre o músculo deltóide.
  4. Para administrar inibitória (catódica) estimulação, repita o procedimento acima e posicionar os dois eletrodos-esponja o contrário (ou seja,colocar o eléctrodo sobre a cabeça de azul e vermelho do eléctrodo sobre o ombro).
  5. Para administrar ETCC sham, entregar estimulação teórica (por exemplo, mais de 15 uA 110 ms, a cada 550 ms) durante 20 min em vez da corrente de estimulação. Posicione os dois eletrodos o mesmo que acima, mas compensar a posição dos eletrodos vermelhas e azuis entre os participantes do grupo sham.
  6. Prenda os eletrodos molhados firmemente na cabeça e parte superior do braço com tiras de borracha ou envoltório auto-aderente. Colocar um pouco de papel toalha em torno da volta do pescoço do participante para enxugar pingar soro fisiológico.
    NOTA: Verifique se a posição prevista para os eletrodos não mudou depois de terem sido garantidos. Para garantir a interface de ótima eletrodo-pele, certifique-se os eletrodos são colocados plana no couro cabeludo, e não sobre o cabelo.
  7. Para início e término de cada aumento de estimulação de intervenção e diminuição, respectivamente, a corrente DC de uma forma de rampa-like mais de 10 segundos 38,39.Definir a intensidade da estimulação a 2 mA e entregar para 20 min usando um estimulador de corrente regulada confiável DC (Tabela de materiais / equipamentos).
    NOTA: Esta intensidade é semelhante ao utilizado por outros 25, e é considerado um nível seguro de exposição 40, bem abaixo do limiar para causar dano tecidual 41.
  8. Diga o participante para descansar / relaxar durante o período de estimulação, e desencorajá-los a utilização de dispositivos electrónicos, de modo a evitar a introdução de variáveis ​​de confusão que podem potencialmente influenciar o resultado do experimento.
    NOTA: É comum que os participantes a sentir uma sensação de coceira leve em um ou em ambos os locais de eletrodo (e / ou um gosto metálico na boca) quando a corrente de estimulação começa. Tranquilizar os participantes que essas sensações desaparecem após alguns segundos - deixando ETCC despercebido.
  9. Aplicar anodal, cathodal ou estimulação sham a três grupos distintos de participantes em pseudo aleatório order (entre-participantes, amostras independentes). Certifique-se de que o número total, sexo e idade média dos participantes é comparável entre os grupos quanto em Papa e Miall 1.

8. Após a estimulação do cérebro, repita o PASAT (etapas 5.1-5.1.5) eo Passt (etapas 5.2-5.2.2) em uma ordem de contrapeso, e as tarefas substantivo e verbo de leitura (etapas 6.2-6.2.2) eo tarefa de geração de verbo (passos 6.1-6.1.6), nesta ordem. Realizar um experimento (tarefas de cálculo) e experimentar dois (tarefas de linguagem), a fim pseudo-aleatório. Não forneça prática quer tarefa seguinte stimuation cérebro.

NOTA: Em outros estudos de cognição, estimulação real e simulada tem sido aplicada à mesma coorte (dentro de participantes, amostras relacionadas), separadas por um período de eliminação de pelo menos 5-7 dias 25,26. No entanto, diferenciando sham e estimulação real é mais fácil em maiores forças atuais 42. Isto pode ser problemático num comin-participantes design, mas não tão em um projeto entre-participantes como descrito aqui.

Representative Results

Análise de Dados

No experimento um, os resultados foram analisados ​​em termos do número de respostas correctas ou pontuações de precisão (percentual correto), e da média e variabilidade (desvio padrão) de tempos verbais de resposta dos participantes usando ANOVAs mistos separados, para ambas as tarefas ( PASAT vs. Passt), entre Sessions (antes x depois) e entre grupos (anodal, cathodal ou sham). No segundo experimento, a média ea variabilidade das respostas verbais dos participantes foram analisadas, comparando-os entre o primeiro (Bloco 1) e último (Bloco 5) conjunto de palavras repetidas (quantidade total de aprendizagem) usando ANOVAs mistos separados dentro de cada tarefa (verbo geração vs. substantivo leitura vs. leitura verbo), Session (antes x depois) e Group (anodal, cathodal ou sham). Os resultados de respostas incorretas foram excluídos de todas as análises de dados, juntamente com as respostas que foram prolongadas (superior a + 2 DP da média) em apenas dois experimento.

ove_content "> Experiment One (tarefas aritméticas)

Stimulus Apresentação Taxa

Testes t de pares ajustado para comparações múltiplas confirmou que as taxas de apresentação do estímulo específico de participantes estabelecidos durante a prática não diferiram significativamente entre os três grupos (sham, anodal e grupos catódica, 2,56, 2,50 e 2,49 segundos, respectivamente, F 2, 63 = 0,23 P = 0,79).

Precisão Scores

O número de respostas corretas aumentou em sessão dois (84,47%) em comparação com a sessão de um (76,30%), presumivelmente devido à prática (Figura 1), mas mais ainda após catódica (77,50 vs. 89,32%), do que após anodal (77,80 vs . 82,80%) ou simulada (77,81 vs 80,91%) estimulação, como confirmado por uma interação Session x Grupo Tarefa x que foi significativa, com ANOVA (F 2,63 = 4,61, P <0,05).

Figura 1
Figura 1: Precisão. Escores antes e depois ETCC cerebelar Os números de acertos (média de 1 SEM, n = 20) melhorou seletivamente após a estimulação catódica a partir de uma sessão de (pré-estimulação) a sessão de duas (pós-estimulação), significativamente mais na tarefa de subtracção (paßt) do que na tarefa de adição (PASAT). Os asteriscos indicam diferenças significativas (P <0,05) como revelado com-comparações pareadas corrigidos. Este valor foi modificado a partir do Papa e Miall 1.

Tempos de resposta verbal

As respostas corretas foram significativamente mais rápidos durante o PASAT do que durante o Passt (1.372 vs. 1.447 ms; F 1,57 = 11,70, P <0,001), e mais ainda após ETCC (1.446 vs. 1.374 ms; F 1,57 = 36,43, P <0,001). De fato, a Task por sessão pela interação grupo foi quase significativo (F 1,57 = 2,65, P = 0,08), sendo que o tempo de resposta durante o Passt diminuiu mais após a estimulação catódica (1.509 vs. 1.322 ms), que após anodal (1,491 vs . 1.427 ms) ou simulada (1504 vs. 1427 ms) estimulação. Esta tendência não foi evidente durante o PASAT.

Variabilidade do tempo de resposta

A consistência dos tempos de resposta também diminuiu significativamente entre uma sessão (386 msec) e dois (354 ms; F 1,57 = 16,86, P <0,001) como se mostra na Figura 2b. De especial interesse, a Task x sessão X interação do grupo foi significativa (F 2,57 = 11,16, P <0,001). Este resultado sugere que a variabilidade do tempo de resposta durante o Passt diminuiu mais após catódica (403 vs.273 ms), que após anodal (418 vs. 398 ms) ou simulada (396 vs. 368 ms). A redução na variabilidade do tempo de resposta era igual em todos os três grupos de estimulação durante a tarefa de adição.

Figura 2
Figura 2: Tempos (A) Média de resposta verbal antes e depois ETCC cerebelo. A média de tempo de resposta verbal dos participantes (média de 1 SEM, n = 20) melhorou seletivamente após a estimulação catódica a partir de uma sessão de (pré-estimulação) a sessão de duas (pós-estimulação), embora não significativamente (P = 0,08) na tarefa de subtracção do que na tarefa de adição. Este valor foi modificado a partir do Papa e Miall 1. (B) variabilidade do tempo de resposta verbal antes e depois ETCC cerebelo. A variabilidade (desvio padrão) de tempos de resposta verbal dos participantes (média de 1 SEM, n = 20) melhorar seletivamented significativamente após a estimulação catódica entre as sessões durante a subtração, mas não durante a adição. Este valor foi modificado a partir do Papa e Miall 1.

Experiência Dois (tarefas de linguagem)

Aprendizagem total médio

Um efeito de aprendizagem entre os blocos de 1-5 foi calculado para cada participante e encontrado para ser comparável durante o substantivo (0,03 seg) e verbo (0,03 seg) tarefas de leitura, mas maior durante a tarefa de geração de verbos (0,20 seg [Ver Figura 3] ) revela um efeito principal significativo da tarefa (F 2,56 = 67,17, P <0,001). Curiosamente, uma interação significativa Session x Task x Group, (F 4,114 = 2,44, P = 0,05) sugeriu que ETCC melhorou seletivamente aprendizagem entre as sessões na tarefa de geração de verbo após catódica (0,18 vs 0,31 segundos), mas não depois anodal (0,18 vs. 0,17 seg) ou simulada (0,17 vs 0,19 s).

Figura 3
Figura 3:. A média de aprendizagem total entre blocos repetidos As respostas em (significar um SEM, n = 20) entre os blocos de 1-5 eram mais rápidas após ETCC durante a geração de verbos (VG) tarefa, do que durante o substantivo leitura (NR), verbo leitura (RV) tarefas. Os asteriscos indicam diferenças significativas (P <0,05) como revelado com-comparações pareadas corrigidos. Este valor foi modificado a partir do Papa e Miall 1.

A variabilidade total de aprendizagem

A consistência de aprendizagem entre os blocos 05/01 também foi computada (ver Figura 4), ​​e verificou-se ser melhorada seletivamente durante a tarefa de geração de verbos após catódica (0,08 vs 0,19 segundos), mas não depois anodal (0,08 vs 0,08 seg) ou sham (0,08 vs 0,06 seg) ETCC como marcado por um significant sessão X Task x interação Group, (F 4,114 = 2,23 P <0,05).

Figura 4
Figura 4:. A variabilidade total de aprendizagem entre blocos repetidos A variabilidade das respostas (média SD 1 SEM, n = 20) entre os blocos de 5/1 foram mais consistentes após ETCC durante a geração de verbos (VG) tarefa, do que durante o substantivo leitura ( NR), verbo ler (RV) tarefas. Os asteriscos indicam diferenças significativas (P <0,05) como revelado com-comparações pareadas corrigidos. Este valor foi modificado a partir do Papa e Miall 1.

Discussion

TDCS se tornou uma ferramenta popular nos últimos anos para estudar as relações cérebro-comportamento. O presente artigo descreve um procedimento para investigar funções cognitivas do cerebelo usando ETCC e vários testes de aritmética e linguagem que requerem diferentes graus de memória de trabalho e atenção. Os resultados para um experimento mostrou como estimulação catódica da precisão hemisfério melhorou tarefa cerebelar direito e variabilidade da resposta verbal (em relação ao anodal e sham stimulation) durante uma tarefa de processamento de informações difícil e exigente cognitivamente envolvendo subtração mental (a tarefa passeado subtração de série auditivo [ paßt]), mas não durante uma versão mais simples e menos exigente que envolve a adição mental (a tarefa de série auditivo ritmo disso [PASAT]). Uma vez que ambas estas tarefas compartilhar o controle semelhante motor (ou seja, operações verbais), mas a carga diferente cognitivo (ie., Esforço mental), nós especulamos em nosso estudo anterior1 que a depressão cathodal do córtex cerebelar direito pode liberar recursos extras cognitivas quando demandas da tarefa são elevados. Catódica ETCC era esperado para hiperpolarizar o cerebelo, deprimir saída da célula de Purkinje, e reduzir a inibição do cerebelo do cérebro (CBI 20). Esta opinião é corroborada pela constatação de que a conectividade funcional entre o cerebelo eo córtex pré-frontal (ie,-cerebelar-tálamo cortical via 10) durante aritmética é-tarefa e difficulty- sensíveis 43. Os resultados do experimento não podem ser explicadas por qualquer alteração na contribuição do cerebelo para controle do motor, uma vez que estes são comparáveis ​​no PASAT eo Passt, mas os processos mentais necessários para realizar a subtração contra adição são diferentes. Os resultados desta experiência sugerem que, em vez de efeitos cerebelar-ETCC na cognição são susceptíveis tarefa- ou específicas de carga. No segundo experimento, a estimulação catódica também melhorou o desempenho da tarefa selectivamente durante umprotocolo de linguagem, de tal forma que as respostas ficou mais rápido e foram mais consistentemente cronometrado mais de cinco blocos consecutivos de ensaios em que os participantes gerados verbos em resposta a visualmente apresentados substantivos. Este efeito priming complementou os resultados do experimento um, e também achados de outros que mostram como ETCC anódica sobre o córtex pré-frontal dorsolateral esquerdo (DLPFC) pode melhorar a fluência verbal 40 e imagem latências de nomeação 41,44 - apoiando a hipótese de que os mesmos padrões de facilitação pode ser observado após ETCC catódica sobre o hemisfério cerebelar direito (como observado no experimento dois). Tomados em conjunto, estes resultados suportam um papel para o cerebelo - ainda que indireta - em linguagem, aprendizagem e memória 45, dando mais suporte à idéia de que o cerebelo pode influenciar os processos cognitivos no córtex pré-frontal: um local importante para muitos memória de trabalho (WM ) operações.

Melhorias cognitivas are fisiologicamente plausível porque o cerebelo exerce uma influência remoto através de excitabilidade no DLPFC, via excitação do cerebro - via cerebelar. Outra evidência para o acoplamento entre o cerebelo e córtex pré-frontal está descrito no trabalho por Hamada e colaboradores, em que associativo plasticidade induzida por estímulos sensoriais / motoras emparelhados em 25 ms - emparelhado estimulação associativo (PAS), foi observada a ser bloqueado por cerebellar- ETCC 46. E sessões diárias de estimulação magnética transcraniana (TMS) sobre o cerebelo foi mostrado para melhorar o controle postural e caminhada, e dual-tasking em um paciente com atrofia cerebelar 47. Estas melhorias motoras e cognitivas foram marcados por um aumento no potencial evocado motor induzidos por estimulação cortical motor quando o cerebelo também estava animado alguns milissegundos de antemão (investigada com bobina dupla, TMS emparelhado-pulso), devido à redução da inibição do cerebelo do cérebro ( CBI) quedurou 6 meses após o tratamento. Farzan e colegas 47 creditado as melhorias na função cognitiva a uma conseqüência da função motora aumentada e a liberação de recursos para o desempenho da dupla tarefa. A redução da CBI induzida pela TMS também pode ter melhorado a função cortical pré-frontal diretamente, por meio de c emocionante erebro - circuitos cerebelar - melhorar a capacidade cognitiva. Esta última explicação é de acordo com o observado usando os métodos descritos no presente trabalho, que demonstram um processo para melhorar selectivamente WM verbal após cerebelar-ETCC.

Os métodos descritos aqui demonstrar como a estimulação elétrica do cérebro do cerebelo pode modular as funções cognitivas e melhorar o desempenho em tarefas que requerem um alto nível de carga cognitiva. Este achado é paralelo aos efeitos positivos de estimular a DLPFC, o que pode melhorar o desempenho aritmética sobre durações longas 2 3. Na verdade, mais de ETCC córtex pré-frontal pode melhorar o desempenho em uma variedade de tarefas cognitivas em indivíduos saudáveis ​​4,5, levando os pesquisadores a utilizar a estimulação elétrica do cérebro como uma ferramenta terapêutica para o tratamento de déficits cognitivos em pacientes após acidente vascular cerebral 48, e em pacientes com doença de Parkinson 41. Na verdade, direções futuras para ETCC incluem a sua utilização como uma ferramenta para modificar o comportamento, induzindo mudanças duradouras no cérebro. TDCS como uma forma de terapia de estimulação cerebral vale a pena explorar em populações de pacientes, por razões óbvias 24.

Neste artigo, os passos mais críticos de modulação bem sucedida de cognição usando ETCC são: 1) alfaiataria tarefa dificuldade para o nível de desempenho dos participantes; 2) A colocação consistente e precisa do eletrodo de estimulação sobre a região do cérebro desejado; 3) garantir tchapéu de ambos os eléctrodos são mantidos húmidos durante todo o período de estimulação para evitar o estimulador de desligar (humedecer com solução salina suplementar, se necessário). Também é importante para tranquilizar os participantes (redução de ansiedade) que as sensações sentidas durante a estimulação desaparecem após alguns segundos - deixando ETCC despercebido. Modificações futuras podem incluir a administração ETCC durante a execução da tarefa (ou pelo menos assim se sobrepõe ao comportamento) para investigar os efeitos on-line. O desempenho da tarefa, então, ser comparadas entre activas e condições da linha de base (isto é, sham e / ou catódico vs sham anódica vs), em vez de comparar o desempenho antes e após o período de estimulação. A eficácia a longo prazo da estimulação DC também vale a pena explorar a partir da perspectiva de usar ETCC para remediar os sintomas da disfunção cognitiva, em conjunto com os paradigmas que podem produzir efeitos mais robustos. Isto pode envolver a protocolos que proporcionam uma sucessão de períodos curtos de estimulação (em vez de um único block), segundo o qual as sessões subseqüentes de ETCC 'top-up' os efeitos da sessão anterior. Cumprindo várias sessões de estimulação pode produzir aumentos cumulativos no desempenho, ao invés de mudanças menores que se desenvolvem mais lentamente ao longo de uma única sessão. Desafios como esses e também futuras direções para a pesquisa clínica com ETCC foram revistos por Brunoni e colegas 49.

O potencial de uso ETCC como uma ferramenta terapêutica para remediar os sintomas cognitivos de certas doenças só surgirá uma vez que o procedimento foi bem compreendida e dominada. Por exemplo, os efeitos do córtex motor ETCC mais recentemente foi encontrado para ser altamente variável entre indivíduos, e nem sempre polaridade específica de 22,23. O mesmo também foi dito para efeitos da ETCC no domínio cognitivo 23. Há ainda um limitado sobre dos dados relativos aos efeitos de aumento de neuro ETCC em geral. Mas pode ser o caso them off-line efeitos da ETCC sobre o cerebelo são mais capazes de melhorar o comportamento quando os participantes têm de se envolver totalmente com uma tarefa cognitiva difícil, ou quando encontram a tarefa difícil de realizar, porque ele coloca novas exigências de WM e recursos de atenção. Este ponto de vista sugere que os efeitos do cerebelo-ETCC sobre a cognição pode ser tarefa- ou load- dependente: talvez mediada por melhorar as funções cognitivas em partes da via cerebro-cerebelar que são activos durante a estimulação. Esta interpretação dos dados paralelos assim com que os efeitos sobre-linha de ETCC sobre a cognição, que actualmente são pensados ​​para ser sensível ao estado da rede activa durante o tempo de estimulação 50. TDCS não pode levar a mudanças no desempenho se houver recursos cognitivos suficientes para executar a tarefa bem, mas somente quando o sistema está empenhado para que ele usa mais recursos. De fato, estudos de fMRI mostrar como a atividade neural em uma rede frontal-parietal é positively correlacionada com a complexidade aumentou 51 tarefa.

Para concluir, este artigo descreve um processo de estimulação cerebral que usou ETCC para estimular o cerebelo durante uma série de tarefas de processamento de informações com variação de carga cognitiva, em que catódica depressão da atividade cerebelar (e não anodal excitação) desempenho melhorado durante attentionally exigente e difícil tarefas cognitivas. Especulamos se isso pode ser conseguido por dis-inibição das regiões WM do córtex pré-frontal: liberação de recursos extras cognitivas quando determinadas tarefas são difíceis de executar. Uma melhor compreensão dos fatores individuais que determinam a eficácia da ETCC agora é necessário que venha a surgir a partir de um estudo mais aprofundado, em conjunto com protocolos melhorados de prestação de estimulação elétrica cerebral em populações saudáveis ​​e doentes. Assim, os esforços futuros pode ser guiado para remediar os sintomas cognitivos de certas doenças usando electr transcranianaestimulação cerebral iCal como ferramenta de reabilitação cognitiva para modular os circuitos cérebro-cerebelar.

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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Comportamento Edição 96 Cognição memória de trabalho ETCC cerebelo estimulação cerebral neuro-modulação neuro-valorização
Modulando Cognition Usando Transcraniana direto Estimulação atual do cerebelo
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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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