Transcranial direct current stimulation (tDCS) over the cerebellum exerts a remote effect on the prefrontal cortex, which can modulate cognition and performance. This was demonstrated using two information-processing tasks of varying complexity, whereby only cathodal tDCS improved performance when the task was difficult, but not easy.
많은 연구 변조의 가능성을 증명하는 최근에 등장하고, 어떤 경우에는, 두개 뇌 전기 자극을 이용하여 메모리 및 관심에 관련된 작업 흥미로운 뇌 영역에 의해인지 과정을 강화 하였다. 일부 연구자들은 이제 소뇌 가능성이 전두엽 피질에서 원격 neuromodulatory 효과를 통해 인식을 지원 믿습니다. 이 논문은 경 두개 직류 자극 (tDCS)를 사용하여인지에 소뇌의 역할을 조사하기위한 절차, 이전 작업 메모리, 관심과 소뇌의 기능을 포함하는 것으로 나타났다 다양한 작업 난이도의 정보 처리 작업의 선택을 설명합니다 . 하나의 작업은 페이스 청각 직렬 추가 작업 (PASAT)이 작업의 다른 새로운 변종 페이스 청각 직렬 빼기 작업 (PASST)라고라고합니다. 동사 생성 작업과 두 개의 컨트롤 (명사와 동사 읽기)도 조사 하였다. 모든 오톤전에 참가자의 세 가지 별도의 그룹에 의해 오른쪽 소뇌 피질을 통해 anodal, cathodal 또는 가짜 tDCS를 사용 cortico-소뇌 연결의 변조 이후에 수행 된 요청합니다. 절차는 성능 (정확성, 언어 적 응답 대기 시간과 변동성)을 선택적으로 cathodal 자극 후,하지만 참가자 어렵게하고, 쉬운 일이 아닙니다으로 평가 작업 중 개선 할 수있는 방법을 보여줍니다. 성능 anodal 또는 가짜 자극에 의한 변화는 없었다. 이러한 연구 결과는 왼쪽 전두엽 피질의 활동 가능성이 오른쪽 소뇌 피질을 통해 cathodal tDCS로 DIS-억제시킨다 인식에서 소뇌의 역할을 보여줍니다. 경 두개 뇌 자극은 다양한 실험실과 병원에서의 인기가 증가하고있다. 그러나 tDCS의 후유증은 개인과 항상 극성 별 사이의 불일치, 심지어 task- 또는로드 별, 더 많은 연구를 필요로 모두 할 수있다. 미래의 노력도 신경 enhanc으로 안내 될 수 있습니다인지 장애로 제시 소뇌 환자 장담 한 번 뇌 자극 메커니즘에 대한 이해가 등장했다.
전기는 100 년 이상 의학에서 사용되어왔다. 오늘날 뇌 자극은 더 자주 모터와인지 기능이 대뇌와 소뇌, 어떻게이 두 뇌 영역 사이의 연결이 기능을 지원하여 수행하는 방법에 대한 가설 검정을위한 연구 도구 등 다양한 실험실과 클리닉에서 사용되고있다. 소뇌에 관해서,이 절차는 상대적이므로 인식에 관여하는 것으로 생각된다 횡 소뇌 반구, 두개 전기 자극으로 액세스 할 수있는 (아래 참조)의 편광 전류의 영향에 민감하고, 부분적으로하기 때문이다 저렴하고 쉬운 인간의 참가자에 수행 할 수 있습니다. 본 문서에서 설명하는 뇌 자극 절차는 작업 기억과주의 등의인지 과정이 '더'가 아니라 '덜'인지 적 일을 요구하고 작업시 용이하게 할 수있는 방법을 보여줍니다. 해석이러한 작업 별 결과 ATION는 단단히 세리 – 소뇌 통로의 생리에 대한 이해에 의해 제한됩니다. 신경 향상 효과는, 작업이 어려운 경우에도, 또한 2,3,4,5 전전두엽 피질의 전기 자극 후에 관찰된다.
소뇌 운동 6, 예측 타이밍 및 실행하는데 중요한 역할을한다. 그러나 연구의 다양한 라인은 지금 소뇌는인지 과정에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 해부학 적 영역에서, 예를 들어, 많은 연구는 전두엽 피질의 영역과 (즉, 세리 – 소뇌 통로) 소뇌 사이의 상호 연결이 7,8,9,10,11,12인지를 지원할 수 있다고 제안했다. 임상 영역에서, 그 증상 'dysmetria 생각의 가설에 개념화 지적, 정서적 문제를 가진 존재하는 후방 소뇌의 특정 부분에 손상 환자의 일부, 그리고13,14,15 운동의 dysmetria '손상 사람들은 모터 장애 (예를 들어, 운동 실조)와 현재와 개념화 소뇌의 일부를, 전방하면서, 소뇌인지 정서 증후군 (CCAS)'임상 적으로 불린다. 뇌 영상 도메인에서 Schmahmann와 동료 16, 17은 소뇌의 작업 별 영역을 맵핑하는 기능성 자기 공명 영상 (fMRI) 기능적인 연결을 사용하고 연결이 분야는 모터와인지 작업하는 동안 전두엽 엽과 함께합니다.
이들은 이전 소뇌 소위 비 모터 영역을 활성화하는 것으로 나타났다 때문에 본 연구에서 제시된 과제인지 선택 하였다. 그러나 그들은 또한 모터와 올바르게 수행하는 데 필요한 모터에 대한 요구인지의 상대적인 수준을 변화시킴으로써 달성되었다인지 태스크 컴포넌트, 및 뇌 자극 (PR)의 개입을 분할 할 수있게이전 뇌 동작 관계를 조절하는 것으로 나타났다 ocedure. 뇌의 기능 및 행동을 조절하는 최근의 시도들은 두피 되나, 두개 직류 자극 (tDCS)에 걸쳐 전류 편광의 사용을 포함 하였다. 사실, 임상 치료 결과 18 격려와 1970 년대 이후 환자 집단에 이식 된 전극과 소뇌 피질을 자극하고있다. 오늘날, 두피에 걸쳐 뇌 건강 참가자의 뇌 – 행동의 관계를 연구하는데 유용한 것으로 실현 자극.
인간의 TDCS는 일반적으로 15 ~ 20 분 동안 식염수를 적신 한 쌍의 전극을 통해 지속적으로 전류 (DC) 직접 (1-2 석사) 저를 전달하는 것을 포함한다. 아니오 (뇌를 자극 일반적인 전극 몽타주 (관심있는 뇌 영역에 대해) 머리에 배치되는 하나 (anodal) 전극을 포함 수도, 다른 (cathodal) 전극 뺨 (두부) 또는 어깨에 배치되는N-두부) 신체의 반대쪽에. 소뇌를 자극하는 경우, 두 전극 사이 뇌내 전류 흐름은 인근 지역 (예를 들면, 시각 피질 19)로 비교적 작은 기능적 확산을 가지고 있으며, 신경 생리 학적 및 행동 모두를 생산 자극 또는 소뇌 피질 20 조롱박 세포 우울 여겨진다 변경. 현재 인간 소뇌-tDCS의 효과 확산 모델링 데이터 또는 동물 연구에서와 운동 피질에 간접적 인 영향로부터 추정된다. 모터 도메인에서 효과는 운동 피질의 흥분 20 소뇌 자극의 결과에 의해 입증 극성 구체적으로 표시됩니다. 예를 들어, 자극 anodal 일반적 흥분성 효과를 가지며 조롱박 세포의 출력을 증가시킨다; cathodal 자극은 일반적으로 반대 EFFE있는 동안, 대뇌 피질, 소뇌 핵에서 facilitatory 경로의 억제를 증가CT 즉, 소뇌 핵의 조롱박 세포의 억제를 감소시킴으로써 대뇌 피질의 DIS-억제. 영장류의 해부학 적 연구는 조롱박 세포가 복부 – 측면 시상 (21)의 시냅스 릴레이를 통해, 모터 및인지 회로 모두 상 facilitatory 드라이브를 발휘할 수있는 방법을 알 수있다. 그러나, 인간의 최근 tDCS 연구 anodal-cathodal 구분이 명확한하지 않을 수 있습니다 것이 좋습니다. 예를 들어, 운동 피질을 통해 tDCS의 후유증은 개인 사이의 매우 다양하며, 항상 극성 별 22 없습니다. 비슷한 비판은인지 적 영역 (23)의 결과를 향해 부과됩니다. 인지 기능에 영향이 감지 및 소뇌 뇌의 억제에 의한 모터 영역에 소뇌의 직접 효과 (CBI 20)보다 해석하는 것이 더 어려운 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 관찰은 뇌 나은 stimulat의 효능을 결정하는 각각의 요인을 이해하는 필요성을 강조이온은 뇌를 자극에 대한 향상된 프로토콜을 개발.
모터와인지 두 기능의 변화는 cerebello-thalamo – 대뇌 피질의 통로 (24)의 전기 자극을 통해 생리 학적으로 타당하다. 인지 기능에 관해서, 언어 적 작업 메모리에 소뇌-tDCS의 조절 성 효과 (25), (26)를보고되었다. 그리고 전두엽 피질의 영역을 자극에서인지에 장기적인 영향은 2,3,4,5를 관찰된다. 그러나, 뉴런에서 뇌 자극의 생리 효과가 동작 중 (온라인 효과) 시험 여부에 따라 또는 자극주기 (27) (오프 – 라인 효과) 후에 다르다. 이는 오프 – 라인 효과 신경 activi에서 오래 지속 변화를 포함하는 반면에 라인 효과, 세포 내 환경의 변화 (예., 이온 농도) 및 전기 화학적 구배 (예를 들어, 막 전위)를 포함 할 수 있다는 것을 제안되어왔다타이 인해 변형 된 세포 내 프로세스 (예를 들어, 수용체 가소성) 27. tDCS가인지 테스트의 두 세션 사이에 도포하고, 동작은 두 개의 세션을 비교된다 본 연구는 오프라인 효과를 조사합니다.
인지의 소뇌의 역할을 조사하는 것은 이전 소뇌 기능을 포함하는 것으로 나타났다 태스크의 사용에 의해 지원된다. 하나의 특정 작업은 산술 추론과 분리주의를 포함하고 페이스 청각 직렬 추가 작업 (PASAT 28)이라고합니다. 이 건강 및 환자군 모두에서 다양한인지 기능을 평가하기 위해 널리 사용되어왔다. 이 검사는 일반적으로 숫자를 듣고 참가자가 3 초마다 제시, 그들은 그들이 심리 번호 (보다는 누계을주는)로들을 수를 추가하는 것을 포함한다. 이것은 어려운 작업이며, WM, 주의력 및 산술 능력의 높은 수준을 부과한다. 또한 ACTI 포함대뇌에서 vity 및 PET (29)과 자기 공명 영상 (30)에 계시 된 작업이 특정 요소와 관련된 소뇌. 더인지 적으로 어려운 최근의 연구 (31) 다른 사람에 의해 확인으로 attentionally (요구하는 작업을하려면, 원래 지침은 참가자가 자신이 들었던 수 듣고 수를 뺄 필요했다있다. 우리는이 새로운 작업을 호출 할 수 있도록 변경되었습니다 페이스 청각, 그것은 작업의 어려움의 주관적인 평가와 상당히 긴 반응 시간 (1)에 의해 입증 PASAT보다 수행하기 어렵습니다. 작업의 두 버전 모두 하나가 더인지 어려웠다 등 포함되었다 빼기 작업 (PASST 1) 직렬 모터 요구 (비밀 음성 조작) 사이의 비교 작업 동안 attentionally, 다른 것보다 수행하기 위해 요구. 소뇌 인식에 관여되어 있다면, tDCS와 그 기능을 교란하는 것은이 (S)의 역할을 방해 할 수도PASST 성능 동안 tructure, 그러나 반드시 PASAT에.
인식의 음성 및 언어 측면 동안 소뇌의 역할을 조사하기 위해 광범위하게 사용되는 또 다른 작업은 동사 생성 작업 (VGT 32,33,34,35,36,37)입니다. PASAT처럼, 그것은 건강하고 환자군에서 언어 적 작업 메모리를 테스트하기 위해 광범위하게 사용되어왔다. 기본적으로, VGT는 참가자들이 큰 소리로 명사를 읽을 수있다 제어 작업의 성능과 비교하여, 시각적으로 제시 명사 (예를 들면, 자동차)에 대한 응답으로 소리내어 동사 (예를 들어, 드라이브)를 말할 참가가 필요합니다. 생성 동사와 독서 명사 유사한 지각과 모터의 요구를 가지고 있지만, 다른 언어 WM 요구 (즉, 더 큰 의미 분석). 그리고 세리 – 소뇌 네트워크에서 더 큰 활동은 명사 34,35,36의 독서에 비해 동사를 생성과 관련이 있습니다. 단어는 또한 더 빨리 (프라이밍 효과) 작업을하는 경우 생성되는PET (33)과의 fMRI (37) 관찰과 동일한 (무작위로) 단어 블록에 걸쳐, 그리고 세리 – 소뇌 활동 증가를 사용하여 반복.
이 글에서, 절차는 다양한 난이도의 두 연산 (실험 한) 세 언어 작업 (실험이), 세 가지 별도의 그룹과 함께, 인식이 뇌 구조의 역할을 조사하기 위해 소뇌를 통해 tDCS를 적용하기위한 설명 참가자 전과 자극 기간 후에 수행. 우리는 더 까다로운 작업에 그 성능 (즉, PASST 및 동사 세대)가 덜 까다로운 작업에 대한 성능보다 tDCS (오프라인 효과) (PASAT과 명사에 의해 더 많은 영향을받을 것인지에 소뇌의 역할 부여, 가정 / 동사 읽기).
TDCS 뇌 – 행동의 관계를 연구하기위한 최근 몇 년 동안에서 인기있는 도구가되었습니다. 본 기사는 tDCS과 작업 기억과주의 다양한 학위를 필요로 산술 언어의 다양한 테스트를 사용하여 소뇌의인지 기능을 조사하는 절차를 설명합니다. 한 실험에 대한 결과는 정신 빼기 (페이싱 청각 직렬 빼기 작업을 [포함 어렵고하고인지 능력을 많이 필요로하는 정보 처리 작업 중에 어떻게 cathodal (anodal하는 상대와 가짜 자극) 오른쪽 소뇌 반구 개선 작업의 정확성과 언어 적 반응 변화의 자극을 보였다 PASST),하지만 정신 또한 (진행 청각 직렬 또한 작업 [PASAT])를 포함하는 단순하고 덜 까다로운 버전 중. 이러한 작업이 모두 비슷한 모터 제어 (즉, 언어 적 작업),하지만 서로 다른인지 부하 (예., 정신적 노력)을 공유하기 때문에, 우리는 우리의 이전 연구에서 추측작업 요구가 높을 때 (1) 오른쪽 소뇌 피질의 cathodal 우울증은 여분의인지 적 자원을 해제 할 수 있습니다. Cathodal tDCS는 소뇌 hyperpolarize 조롱박 전지 출력 우울, 및 (CBI 20) 소뇌 뇌 억제를 감소시킬 것으로 예상되었다. 이보기는 소뇌와 전두엽 피질 사이의 기능적 연결 (즉, cerebello-thalamo – 대뇌 피질의 통로 10) 산술 동안이 task-하고 difficulty- 민감한 43 것을 발견에 의해 지원된다. 이러한 하나로서, 모터 제어에 공헌 소뇌의 변화에 의해 설명 할 수없는 실험에서 결과 PASAT과 PASST에 필적하지만, 또한 대 감산을 수행하는 데 필요한 정신 과정이 다르다. 이 실험의 결과는인지에 소뇌-tDCS의 효과 가능성이 task- 또는 부하 고유의 것을 대신 좋습니다. 실험 두에서 cathodal 자극은 선택적 동안 작업 성능을 향상응답이 빨라졌습니다보다 지속적으로 참가자가 시각적으로 제시 명사에 대한 응답으로 동사를 생성하는 실험의 장이 넘는 연속 블록을 초과 하였다하도록 언어 프로토콜. 이 프라이밍 효과는 언어 유창성 (40)와 그림 이름 대기 시간 41,44 향상시킬 수 있습니다 왼쪽 배 외측 전두엽 피질 (DLPFC)를 통해 방법 anodal tDCS를 보여주는 다른 사람도 실험 한 결과, 및 연구 결과를 보완 – 가설 지원을 동일한 촉진 패턴이 수 (실험 두 관찰) 오른쪽 소뇌 반구를 통해 cathodal tDCS 후 관찰 될 수있다. 함께 찍은, 이러한 결과는 소뇌의 역할을 지원 – 간접적이기는하지만 – 언어, 소뇌는 전두엽 피질의인지 과정에 영향을 미칠 수 있다는 생각에 추가 지원을 대출, 학습과 기억 (45) : (많은 작업 메모리의 주요 사이트 WM을 ) 작업.
인지 기능 향상 아칸소전자 소뇌는 세리의 여기를 통해, DLPFC의 흥분을 통해 원격 영향력을 발휘하기 때문에 생리적으로 그럴듯 – 소뇌 통로입니다. 소뇌와 전두엽 피질 사이의 커플 링에 대한 추가 증거 25 밀리 초에 한 쌍의 감각 / 모터 자극에 의해 유도 결합 가소성이있다 하마다와 동료에 의해 작업에 설명되어 있습니다 – 연관 자극 (PAS)를 쌍, cerebellar-에 의해 차단 될 관찰되었다 tDCS (46). 그리고 소뇌 이상 경 두개 자기 자극 (TMS)의 일상 세션은 소뇌 위축 (47) 환자의 자세 제어 및 산책, 듀얼 태스킹을 개선하는 것으로 나타났다. 이 모터 및인지 개선 모터의 증가에 의해 표시된 유발 소뇌는 사전에 (이중 코일, 쌍 펄스 TMS와 함께 조사) 몇 밀리 초를 흥분 때 감소로 인해 소뇌 뇌 억제, 모터 대뇌 피질의 자극에 의해 유발 전위 ( CBI) 그6개월 치료 후 지속되었다. Farzan 및 동료 (47)는 강화 된 운동 기능의 결과 및 이중 작업의 성능을위한 자원의 해방에인지 기능의 개선을 적립. 소뇌 회로 – – TMS에 의해 유도 된 CBI의 감소는 또한 흥미로운 C의 erebro을 통해 직접 전두엽 대뇌 피질의 기능을 개선 할 수있다인지 능력을 향상시킬 수있다. 즉 선택적 소뇌-tDCS 후 구두 WM 개선하는 절차를 보여 본 문서에 기재된 방법을 사용하여 관찰하여 후자 설명은 일치한다.
여기에 기술 된 방법은 소뇌의 전기 자극은 뇌의인지 기능을 조절 및인지 부하의 높은 수준을 요구하는 작업시 성능을 향상시킬 수있는 방법을 보여준다. 이 발견은 긴 지속 시간이 연산을 통해 성능을 향상시킬 수 DLPFC을 자극에서 긍정적 인 효과를 평행 </SUP>, 그리고 어려운 문제에 대한 솔루션 생성을 촉진하지만, 쉽지 않은 문제 3. 사실, 전두엽 피질 이상 tDCS 뇌졸중 48 후 환자의인지 결손 치료를위한 치료 도구로 전기 뇌 자극을 채용하는 연구원을 선도하고, 건강한 참가자 4,5에서인지 다양한 작업에서 성능을 향상하고, 파킨슨 병 환자의 수 (41). 사실, tDCS에 대한 향후 방향은 뇌에 지속적인 변화를 유도하여 동작을 수정하기위한 도구로 사용을 포함한다. 뇌 자극 치료의 한 형태로 TDCS는 분명한 이유 (24) 환자군에서 탐구 가치가있다.
이 글에서는인지 사용 tDCS의 성공적인 변조를위한 가장 중요한 단계는 다음과 같습니다 성능의 참가자들의 수준 1) 재봉 작업 난이도; 2) 목적하는 뇌 영역 위에 자극 전극의 일관되고 정확한 위치; 3) 보장 t모자 양 전극이 전원을 끄기 자극기 방지 자극 기간 동안 유지된다 촉촉한 (추가 식염수 필요 적셔서). 눈치 채이지 tDCS를 떠나 – 또한 감각은 몇 초 후에 사라 자극하는 동안 느낀 참가자 (감소 불안을) 안심하는 것이 중요합니다. 미래의 수정은 온라인 미치는 영향을 조사하기 위해 (또는 그렇게 행동과 중복) 과제 수행 중에 tDCS 관리를 포함 할 수 있습니다. 작업 성능은 다음 활성 및 기준 조건 (즉, anodal 대 가짜 및 / 또는 가짜 대 cathodal) 사이에 비교 될 것이다, 오히려 이전과 자극 기간 후 성능을 비교보다. DC 자극의 장기적인 효과는보다 강력한 효과를 얻을 수있다 패러다임과 함께, 또한,인지 기능 장애의 증상을 개선하기 tDCS 사용의 관점에서 탐구 가치가있다. 이 짧은 자극 기간의 승계를 제공 프로토콜을 포함 할 수있다 (오히려 하나의 BLO보다CK), 이에 tDCS '맨 업'이전 세션에서 효과의 후속 세션. 여러 자극 세션을 제공하는 것이 아니라 하나의 세션을 통해 더 천천히 개발 작은 변화보다 성능이 누적 증가를 생성 할 수있다. 이와과 tDCS 임상 연구를위한 미래 방향 등의 과제 Brunoni와 동료 49에 의해 검토되고있다.
절차는 더 잘 이해하고 습득 한 번만 나타나서 특정 질병의인지 적 증상 또는 치료에 대한 치료 학적 도구로서 tDCS를 사용하기위한 잠재력. 예를 들어, 운동 피질 위에 tDCS의 효과는 최근 개인간 매우 가변적 것으로 발견되었고, 22, 23, 항상 특정 극성. 동일은인지 적 영역 (23)에 tDCS의 효과를 말했다되었습니다. 일반적으로 tDCS의 신경 향상 효과에 관한 데이터에 대한 제한은 여전히있다. 하지만 제 경우 일 수있다오프라인에서 소뇌 이상 tDCS의 효과는 참가자가 완전히 어려운인지 작업에 참여해야 할 때 행동을 개선하는 가장 할 수있다, 또는 그들이 그것을 WM과 주의력 자원에 대한 높은 수요를 만들기 때문에 수행하기 어려운 작업을 찾을 때. 이보기는 인식에 소뇌-tDCS의 효과가 task- 또는 하중에 의존 할 수 있음을 시사 : 자극하는 동안 활성화 된 세리 – 소뇌 경로의 부분에서인지 기능을 개선하여 아마도 중재. 물론 현재 자극 50 시간 동안 활성 네트워크의 상태에 민감 할 것으로 생각된다인지에 tDCS의 온라인 효과의 우리의 데이터 평행선이 해석. 또한 작업을 수행 할 수있는 충분한 자원인지가 있는지 TDCS는하지만 더 많은 자원을 사용하도록 시스템이 결합 될 때만, 성능의 변화를 초래할 수 없다. 실제로,의 fMRI 연구는 정면 정수리 네트워크의 신경 활동이 positi입니다 방법을 보여줍니다vely 증가 작업의 복잡성 (51)의 상관 관계.
결론적으로,이 문서는 attentionally 요구하고 어려운 동안 소뇌 활동 (그리고 anodal 여기) 개선 된 성능의 우울증을 cathodal하는인지 부하를, 변화와 정보 처리 일련의 작업 중 소뇌를 자극하는 tDCS를 사용 뇌 자극 절차를 설명 인지 작업. 여분의인지 리소스를 해제 특정 작업을 수행하기 어려운 경우 :이이 전두엽 피질의 WM 지역의 DIS-억제에 의해 달성 될 수 있는지 여부를 추측했다. 희망 건강하고 환자 집단에서 전기 뇌 자극을 전달하기위한 개선 된 프로토콜과 함께, 더 많은 연구에서 나타날 것입니다 tDCS의 효과가 지금 필요한 결정하는 개별 요소의 이해. 따라서, 장래의 노력은 두개 ELECTR를 이용한 특정 질병의 증상 또는 치료인지쪽으로 안내 될 수도세리 – 소뇌 회로를 조절하는인지 재활 도구로적인 뇌 자극.
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgement: This work was funded by Wellcome Trust grant WT087554.
Name of Material/Equipment | Company | Model | Comments/Description |
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 |