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.
大量的研究最近已出现了表明调制的可能性,并在某些情况下提高,认知过程中涉及使用经颅电脑刺激工作记忆和注意力激动人心的大脑区域。一些研究人员现在认为小脑支持的认知,通过对前额叶皮质的远程神经调节效果可能。本文介绍一种方法使用经颅直流电刺激(TDCS)调查的认识小脑的作用,以及选择的不同任务难度信息处理任务,先前已被证明涉及工作记忆,注意力和小脑功能。一个任务被称为节奏的听觉串行加法任务(PASAT)和该任务的其他一个新变种称为节奏的听觉串行减法任务(PASST)。动词生成任务和它的两个控件(名词和动词阅读)进行了研究。所有5吨要求由三个独立的参与者群体,前后皮质小脑连接使用anodal,阴极或假TDCS在右侧小脑皮层调制后执行。该过程演示如何性能(准确性,口头响应延迟和变性)可被选择性地阴极刺激后,但只在该参与者评为困难,而不是简单的任务得到改善。性能通过anodal或假刺激不变。这些发现证明了小脑的认知,即在左侧前额叶皮质的活动可能DIS-抑制阴极TDCS在右侧小脑皮层的作用。经颅刺激大脑是越来越普及,在各种实验室和诊所。然而,TDCS的后遗症是个人,而不是总是极性特异性之间不一致,甚至可以是与任务或负载特定的,所有这些都需要进一步研究。今后的努力也可能对神经enhanc引导键相小脑患者的认知功能障碍提出一次更好地了解大脑的刺激机制已经出现。
电力已应用于医药超过100年。今天,脑刺激越来越经常用于各种实验室和诊所作为研究工具用于测试假设有关如何运动和认知功能由大脑和小脑,以及如何将这些2大脑区域之间的连接支持这些功能执行。与问候到小脑,这部分是因为横向小脑半球,这被认为是参与认知(见下文),可以访问经颅电刺激,对偏振电流的影响敏感,并且由于过程是相对价格低廉,易于在人参加演出。本条款中描述的脑刺激过程演示如何认知过程,如工作记忆和注意力能在那些'更',而不是'少'认知苛刻1任务提供便利。在解读这些任务的具体结果ATION,牢固地由脑小脑通路的生理学的了解受限。神经增强效果,即使当任务是困难的,也被前额叶皮层2,3,4,5的电刺激后观察。
小脑起着预测,定时和执行动作6中起重要作用。然而,各种线的研究表明,现在的小脑可能影响认知过程。在解剖结构域,例如,许多研究表明,前额叶皮层的区域和小脑( 即脑小脑途径)之间的相互连接,可能支持认知7,8,9,10,11,12。在临床领域,有些患者损伤后小脑表现为智力和情绪问题,其症状是概念化的“思想辨距不良”假说的具体部位,临床上称为'小脑认知情感综合症(CCAS),而标有损坏到前小脑部分,本与运动障碍( 例如 ,共济失调)和概念化为“运动的”13,14,15辨距障碍。在脑成像领域,Schmahmann和同事16,17已经使用功能性磁共振成像(fMRI)和功能连接映射小脑任务特定区域和连接这些区域在运动和认知任务的额叶做。
在本研究中提出的认知任务被选择,因为他们先前已被证明激活小脑的所谓非运动区域。但它们也使我们可以划分出运动和认知任务的组件,这是通过改变认知相对于所需要的正确执行这些马达需求的水平来实现,以及脑刺激PR的干预ocedure先前已显示出调节脑行为的关系。最近试图调节大脑功能和行为包括使用偏振穿过头皮,称为,经颅直流电刺激(TDCS)电流。事实上,临床医生一直在刺激小脑皮层植入电极在患者人群,因为1970年的令人鼓舞的治疗效果18。如今,在整个刺激头皮的大脑实现是研究在健康受试者脑行为的关系非常有用。
在人类TDCS通常涉及15-20分钟递送低(1-2毫安)的直流(DC)连续地通过一对盐水浸泡电极。被放置在头部(在感兴趣的脑区域)的典型电极蒙太奇刺激大脑可能涉及一(anodal)电极,而另一个(阴极)电极放置在面颊(头侧)或肩(无正头侧)在身体的对侧。在刺激小脑的情况下,在两个电极之间脑电流流具有相对小的功能性扩散到附近的区域(例如,视觉皮层19)和被认为是激发或抑制浦肯野细胞中的小脑皮层20,同时生产神经生理学和行为变化。当前和小脑,TDCS在人类的传播效果是从建模数据,或从动物研究,并从运动皮层间接影响的推断。在马达领域,其影响也被示出为证明小脑刺激对运动皮层的兴奋性20的后果是极性特异性。例如,阳极刺激通常具有兴奋作用并增加了浦肯野细胞的输出;增加抑制从小脑核到大脑皮层的易化通路,而阴极刺激通常具有相反的EFFE克拉即 ,通过降低小脑核的浦肯野细胞抑制DIS-抑制大脑皮层。在灵长类动物解剖学研究表明浦肯野细胞如何能发挥易化驱动器到电机和认知电路,通过突触继电器腹外侧丘脑21。然而,在人类最近的TDCS的研究表明,anodal,阴极的区别可能不明确。例如,后遗症的TDC超过运动皮层是个体之间变化很大,而且并不总是极性特异性22。类似的批评也对征收结果在认知领域23。这可能有助于解释为什么对认知功能的影响将更加难以检测和解释不是由于小脑脑抑制运动区小脑的直接影响(CBI 20)。这些观察强调有必要更好地理解大脑决定的stimulat疗效个体因素离子,并且开发改进的协议用于刺激大脑。
改变运动和认知功能都可以通过小脑-丘脑-皮层通路24的电刺激生理似是而非。与关于认知功能,小脑-TDCS对言语工作存储器中的调节作用已报道25,26。和认知持续影响,从刺激前额叶皮层的地区也观察到2,3,4,5。但是,脑刺激的对神经元的生理效应是不同的取决于行为是否被测试期间(上线效应)或后(离线效果)刺激期27。它已被提出,上线影响可能包括在细胞内环境的变化(例如 ,离子浓度)和电化学梯度( 例如 ,膜电位),而脱线的效果可能包括在神经activi更持久的变化TY由于改变细胞内的过程( 例如 ,受体可塑性)27。本研究探讨脱线的效果,即TDCS被应用在两者之间认知测试的两会上,和行为是两会之间的比较。
调查在认知小脑一个角色由任务的使用先前已被证明涉及小脑功能的协助。一个特定的任务涉及算术推理和分散注意,被称为起搏听觉串行加法任务(PASAT 28)。它已被广泛用于在健康和患者群体评估各种认知功能。测试通常包括参与者听数字呈现每3秒,并增加他们听到(给人一种运行总计而不是)之前,他们听到数。它是一个具有挑战性的任务和规定的WM,注意力和运算能力的程度很高。它还涉及ACTIVITY在大脑和与该任务的这些特定元素相关联的显示在PET 29和MRI 30小脑。为了使任务变得更加认知困难和attentionally苛刻(如最近的一项研究证实31他人的原始指令被改变为使参加者须减去从他们之前,他们听到了听到数数,我们称之为新任务节奏听觉串行减法任务(PASST 1),并且它是更加困难比PASAT执行就证明了任务的难度主观评分和显著更长的反应时间1。这两个版本的任务被包括,使得一个被更认知困难和attentionally,要求比其他来执行,而电机的需求(秘密讲话业务),具有可比性任务之间。如果小脑参与的认知,那么扰乱其功能与TDCS可以用这个S的干扰作用期间对PASST性能tructure,但不一定在PASAT。
广泛使用在认知言语 和语言方面的调查为小脑作用的另一项任务是动词代任务(VGT 32,33,34,35,36,37)。像PASAT,它已被广泛用于在健康和患者群体测试言语工作记忆。基本上,VGT需要参与大声说动词( 例如 ,驱动器)响应于一个视觉呈现名词( 例如 ,汽车),与上一个控制任务,由此参与者读名词朗读性能相比。生成动词和名词的阅读也有类似的知觉和运动的需求,但不同的言语WM的需求( 即 ,更大的语义分析)。并在脑小脑网络更大的活动与产生动词与名词阅读的34,35,36比较相关。也产生更快(吸的效果),当任务的话使用相同的话(随机顺序)跨越块,以及脑小脑活性增加重复观察到在PET 33与fMRI 37。
在这篇文章中,一个过程的两个运算(实验1)和三个语言任务(实验二)不同难度的,哪三个独立的小组描述了应用TDCS在小脑调查这个大脑结构的认知作用,一起参与者之前和刺激期后进行。我们推测,由于在认知小脑的作用,就要求更高的任务性能( 即 ,PASST和动词代)会受到影响更由TDCS(离线效果)比对要求不高任务性能(PASAT和名词/动词阅读)。
TDCS已成为近年来的研究脑 – 行为关系的一种流行工具。本文章介绍了调查使用TDCS和算术和语言需要不同程度的工作记忆和注意力各种试验小脑认知功能的过程。该结果实验1中涉及精神减法(节奏的听觉串行减法任务[困难和认知苛刻的信息处理任务显示右侧小脑半球提高任务精度和口头答复变异如何阴极刺激(相对于anodal和假刺激) PASST]),但不是在涉及精神加成(起搏听觉串行加法任务[PASAT])更简单和要求不高的版本。由于这两个任务共享类似的电机控制(即口头作业),但不同的认知负荷( 即 ,脑力劳动),我们推测在我们以前的研究1右小脑皮层的阴极抑郁症可能会释放多余的认知资源时,任务要求是很高的。阴极TDCS预计超极化小脑,抑制浦肯野细胞的输出,并减少小脑脑抑制(CBI 20)。这一观点被发现,小脑和前额叶皮质之间的功能连通性( 即 ,小脑,丘脑-皮层通路10)的算术期间是与任务和困难-敏感43 的支持。从实验1不能在电机控制小脑贡献的任何变化来解释,因为这些结果是可比较的PASAT和PASST,但以执行减法与加法所需的心理过程是不同的。从该实验的结果表明,而不是该小脑-TDCS对认知效应很可能与任务或负载特定的。在实验二中,阴极刺激也选择过程中提高工作绩效语言协议,这样的反应速度越来越快,并更加一致计时,参与者响应视觉呈现名词动词产生的审判在五年连续的块。这激发效应配合的结果,从实验之一,也是发现被别人演示如何anodal TDCS在左背外侧前额叶皮层(DLPFC)可以提高言语流畅性40和图片命名潜伏期41,44 -支持这一假设同样的便利模式可能阴极TDCS在右侧小脑半球后观察(如实验二观察)。总之,这些研究结果支持小脑一个角色-虽然是间接的-在语言,学习和记忆45,进一步支持的想法,小脑可以在前额皮层影响认知过程:一个主要的网站有工作记忆(WM )操作。
认知增强ARË生理似是而非,因为小脑发挥远程影响力的兴奋DLPFC,通过脑的兴奋- 小脑通路。对于小脑和前额叶皮层之间的耦合的进一步证据由滨田和他的同事,由此缔可塑性诱导配对,在25毫秒的感官/电机刺激的工作进行说明 – 配对关联刺激(PAS),没有观察到被阻止通过cerebellar- TDCS 46。和经颅磁刺激(TMS)在小脑的日常会话已被证实可以改善姿势控制和行走,并双重任务处理在患者中与小脑萎缩47。这些运动和认知的改进的特点是增加了运动诱发由马达皮层刺激诱导时小脑也激发几毫秒预先(研究了双线圈,双脉冲TMS),由于减少了小脑脑抑制潜能( CBI)表示治疗6个月后持续。 Farzan和同事47记中的认知功能的改善,增强运动功能的结果和资源的解放为双任务的性能。诱发TMS在CBI的减少也可能改善前额叶皮质功能,直接通过令人兴奋çerebro –小脑回路-改善认知能力。这后一种解释是在协议与使用本物品,展示为小脑-TDCS后选择性地改善口头WM的过程中所描述的方法观察。
此处所描述的方法说明如何小脑电脑刺激可以调节认知功能和过程中,需要认知负荷的一个高层次的任务增强性能。这一发现平行从刺激DLPFC,其可以在较长的持续时间2提高算术性能的积极影响</SUP>,并促进解生成对于困难的问题,但不适合容易的问题3。事实上,TDCS超过前额叶皮层可以在多种在健康参与者4,5-认知任务提高性能,主要研究人员采用电脑刺激作为治疗工具,中风后48治疗认知缺损的患者,和患者的帕金森氏病41。的确,对于TDCS未来的发展方向,包括其作为诱导大脑中的长期变化改变行为的工具使用。 TDCS脑刺激治疗的一种形式,是一个值得探讨的原因是显而易见的24患者人群。
在这篇文章中,使用认知TDCS的调制成功最关键的步骤是:1)定制任务难度性能参与者的水平; 2)在所需的大脑区域中的刺激电极的一致和准确的安置; 3)确保吨帽子两个电极在整个刺激期间,以防止激励器断电保持湿润(濡额外盐水如有必要)。同样重要的是安抚参与者(减少焦虑)刺激时的感觉感到了几秒钟后消失 – 离开TDCS未被发觉。未来的修改可能包括在任务绩效管理TDCS(左右它的行为重叠)调查上线的影响。任务绩效将被激活和基线条件( 即中,阳极与假和/或阴极与假)之间的比较,而不是之前的刺激期后比较性能。直流刺激的长期效果也值得使用TDCS来补救的认知功能障碍的症状的角度来探讨,连同可能产生更稳健的效果范例。这可能涉及能够提供的短刺激周期的继承协议(而不是一个单一的一个BLOCK),由此TDCS'补差'从上届会议的影响,后续会议。提供多重刺激会话可能会产生累积升幅的表现,而不是在单个会话更加缓慢发展的变化较小。如上述,也为今后的临床研究与TDCS方向的挑战已经由BRUNONI和他的同事49检讨。
潜在使用TDCS作为治疗工具为弥补某些疾病的认知症状将只出现一次的程序已被更好地理解和掌握。例如,TDCS过度运动皮层的影响最近已发现个体间高度可变的,并且不总是极性特异性22,23。同样的,也有人说了TDCS在认知领域23的效果。还有一个关于有限有关TDCS在一般的神经增强效果的数据。但它可能是这种情况日在离线TDCS在小脑的效果最有能力改善的行为时,参与者必须有困难的认知任务的充分参与,或者当他们找到工作很难进行,因为它使对WM和注意力资源的高要求。这种观点认为,小脑,TDCS对认知的影响可能与任务或负载依赖:通过改善认知功能部位的脑小脑通路是活跃的刺激过程中或许介导的。这种解释我们的数据相似之处以及与该对TDCS对认知,这是目前被认为是在刺激50的时间到有源网络的状态敏感的上线的影响。 TDCS可能不会导致性能的变化,如果有可用于执行该任务以及足够的认知资源,但只有当系统接合,使得它使用更多的资源。事实上,功能磁共振成像研究表明,如何在正面,顶网络的神经活动POSITIvely与相关任务增加复杂性51。
总之,本文描述的过程中,要求attentionally和困难所使用TDCS期间的一系列信息处理任务,以刺激小脑具有变化的认知负载,在这种阴极小脑活性(而不是anodal激发)改进性能的抑郁症脑刺激过程认知任务。我们猜测这是否可能被解散抑制前额叶皮层的WM地区实现:释放额外的认知资源时,某些任务都难以完成。更好地了解确定TDCS的疗效,现在需要的个体因素,希望能进一步研究的出现,再加上改进协议提供电刺激大脑健康和患者群体。因此,今后的努力可能对使用经颅ELECTR纠正某些疾病的认知症状引导iCal中脑刺激的认知康复工具,调节脑小脑电路。
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 |