קוגניציה ויסות שימוש Transcranial ישיר נוכחי גירוי של המוח הקטן
Summary
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.
Abstract
מחקרים רבים יצאו לאחרונה כי להדגים את האפשרות של ויסות, ובמקרים מסוימים לשיפור, תהליכים קוגניטיביים לפי אזורי המוח המרגשים שמעורבים בעבודת זיכרון ותשומת לב באמצעות גירוי המוח חשמלי transcranial. חלק מהחוקרים מאמינים כעת המוח הקטן תומך ביכולות קוגניטיביות, אולי באמצעות השפעת neuromodulatory מרחוק על קליפת מוח הקדם חזיתית. מאמר זה מתאר הליך לחקירת תפקיד למוח הקטן בקוגניציה באמצעות גירוי הנוכחי ישיר transcranial (tDCS), ומבחר של משימות עיבוד מידע של קושי משימה שונה, אשר בעבר הוכחו לערב זיכרון עבודה, קשב ותפקוד המוח הקטן . משימה אחת נקראת בקצב אישי סידורי תוספת המשימות שמיעתיות (Pasat) וגרסת רומן אחרת של משימה זו נקראות בקצב אישי סידורי חיסור המשימות שמיעתיות (PASST). משימת דור פועל ושני פקדיו (שם עצם וקריאת פועל) גם נחקרו. כל t חמששואל בוצעו על ידי שלוש קבוצות נפרדות של משתתפים, לפני ואחרי האפנון של קישוריות cortico-המוח הקטן באמצעות anodal, cathodal או tDCS דמה מעל קליפת המוח הקטן תקין. ההליך מדגים כיצד ביצועים (דיוק, זמן אחזור מילולי תגובה והשתנות) יכולים להיות שיפור באופן סלקטיבי לאחר גירוי cathodal, אבל רק במשימות שהמשתתפים דורג כקשה, ולא קל. ביצועים היו ללא שינוי על ידי anodal או גירוי מזויף. ממצאים אלה מעידים תפקיד למוח הקטן בקוגניציה, לפיה פעילות בהשאירה קליפת מוח הקדם חזיתית עשוי דיס-מעוכבת על ידי tDCS cathodal מעל קליפת המוח הקטן תקין. הגירוי מוחי Transcranial גדל ב פופולריות במעבדות ובמרפאות שונות. עם זאת, הלוואי לאחר של tDCS אינו עולה בקנה בין יחידים ולא תמיד קוטביות ספציפית, ואף עלול להיות מוכוונת משימה או עומס ספציפי, כל אחד מהם דורש מחקר נוסף. מאמצי עתיד אולי גם לכוון נוירו-העשרתement בחולי המוח הקטן הצגה עם ליקוי קוגנטיבי פעם בהבנה טובה יותר של מנגנוני גירוי המוח התפתח.
Introduction
חשמל כבר בשימוש ברפואה במשך 100 שנים. היום, גירוי המוח הופך להיות בתדירות גבוהה יותר בשימוש במעבדות שונות ובמרפאות ככלי מחקר להשערות בדיקות על איך מנוע ותפקודים קוגניטיביים מבוצעים על ידי המוח הגדול והמוח הקטן, וכיצד קשרים בין שני אזורים אלו במוח תומכים בפונקציות אלה. בכל הקשור למוח הקטן, זה גם בגלל ההמיספרות של המוח הקטנות לרוחב, שהם חשבו להיות מעורבים בהכרה (ראו להלן), נגישות לגירוי חשמלי transcranial, רגישות להשפעות של זרמי קיטוב, וכי ההליך הוא יחסית זולים וקל לביצוע במשתתפים אנושיים. הליך הגירוי המוחי המתואר במאמר הנוכחי מדגים כיצד ניתן להקל על תהליכים קוגניטיביים כגון זיכרון ותשומת לב עובד במשימות שהן "יותר" ולא "פחות" מבחינה קוגניטיבית תובעני 1. לפרשation של תוצאות משימה ספציפית אלה, מוגבלים בתוקף על ידי הבנה של הפיסיולוגיה של מסלול Cerebro-המוח הקטן. השפעות נוירו-שיפור, גם כאשר משימות קשות, הם נצפו גם לאחר גירוי חשמלי של קליפת מוח הקדם חזיתית 2,3,4,5.
המוח הקטן ממלא תפקיד חשוב בחיזוי, תזמון וביצוע תנועות 6. עם זאת, קווים שונים של מחקר מצביעים על כך שעכשיו המוח הקטן עשוי להשפיע על תהליכים קוגניטיביים. בתחום אנטומיים, למשל, מחקרים רבים הראו כי קשרי גומלין בין האזורים של קליפת מוח הקדם חזיתית והמוח הקטן (כלומר, מסלול Cerebro-המוח הקטן) עשויים לתמוך קוגניציה 7,8,9,10,11,12. בתחום הקליני, חלק מחולים עם נזק לחלקים מסוימים של המוח הקטן האחורי נוכחי עם בעיות שכליות ורגשיות שסימפטומים נתפסים בהשערה "dysmetria של מחשבה", וקליני המכונה "תסמונת המוח הקטן קוגניטיביים הרגשית (CCAS), בעוד אלה עם נזק לחלקים קדמיים של המוח הקטן, הווה עם ליקויים מוטוריים (למשל, אטקסיה) ונתפסים כ'dysmetria של תנועה '13,14,15. בתחום ההדמיה המוחית, Schmahmann והעמיתים 16,17 השתמשו בהדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) וקישוריות תפקודית למפות אזורי משימה הספציפית של המוח הקטן והקשרים אזורים אלה לעשות עם אונת הקדם חזיתית במטלות מוטוריות וקוגניטיבית.
המשימות קוגניטיביות המוצגות במחקר זה נבחרו משום שהן בעבר הוכחו להפעיל אזורים שאינם מנוע כביכול של המוח הקטן. אבל הם גם אפשרו לנו לחלק את מנוע ורכיבי משימה קוגניטיבית, שהושג על ידי שינוי רמת הקוגניטיבית ביחס לדרישות מנוע הנדרשים לבצע אותם בצורה נכונה, וההתערבות של יחסי ציבור גירוי המוחocedure שיש בעבר הוכח לווסת יחסי המוח-התנהגות. הניסיונות אחרונים לווסת את תפקוד מוח והתנהגות שכללו שימוש בקיטוב זרמים על פני הקרקפת, הגירוי מכונה, transcranial הישיר הנוכחי (tDCS). למעשה, רופאים כבר מגרה את קליפת המוח הקטן עם אלקטרודות מושתלים באוכלוסיות חולה מאז 1970 עם תוצאות מעודדות טיפוליות 18. היום, מגרה את המוח על פני הקרקפת הבין להיות שימושי לחקר יחסי המוח-התנהגות במשתתפים בריאים.
TDCS בבני אדם בדרך כלל כרוך באספקה נמוכה (1-2 mA) ישיר הנוכחי (DC) ברציפות באמצעות זוג אלקטרודות ספוג מלח במשך 15-20 דקות. מונטאז 'אלקטרודה אופיינית לגירוי המוח עלול להיות כרוך באלקטרודה אחת (anodal) שיוצב על הראש (מעל האזור במוח של עניין), והאלקטרודה אחרת (cathodal) שיוצב על הלחי (סוג cephalic) או כתף (לאn-סוג cephalic) בצד הנגדי של הגוף. במקרה של גירוי המוח הקטן, יש זרימה נוכחית תוך-מוחית בין שתי אלקטרודות התפשטות פונקציונלית קטנה יחסית לאזורים סמוכים (למשל, חזותית 19 קליפה), והוא חשב לרגש או לדכא תאי פורקינג 'במוח הקטן הקליפה 20, בהפקת שני neurophysiological והתנהגותיים שינויים. התפשטות הנוכחית ואת ההשפעות של המוח הקטן-tDCS בבני אדם המשתמעות מנתוני דוגמנות או ממחקרים בבעלי חיים, ומהשפעות עקיפות על הקורטקס המוטורי. בתחום המוטורי, תופעות מוצגות גם להיות קוטביות ספציפית כפי שמעידים התוצאות של גירוי המוח הקטן על רגישות קליפת המוח מוטורית 20. לדוגמא, anodal גירוי בדרך כלל יש השפעה מעוררת ומגביר את התפוקה של תאי פורקינג '; הגדלת עיכוב של מסלול facilitatory מגרעיני המוח הקטן לקליפת המוח, בעוד גירוי cathodal בדרך כלל יש effe הפוךct כלומר, דיס-עיכוב של קליפת המוח על ידי צמצום עיכוב תא פורקינג של גרעיני המוח הקטן. מחקרים אנטומיים בפרימטים חושפים כיצד תאי פורקינג 'יכולים להפעיל כונן facilitatory על שני מוטוריים וקוגניטיבית מעגלים, באמצעות ממסר הסינפטי בתלמוס הגחון-רוחב 21. עם זאת, מחקרי tDCS האחרונים בבני האדם מצביעים על כך שההבחנה anodal-cathodal לא יכולה להיות ברורה. לדוגמא, את ההשפעות לאחר של tDCS מעל הקורטקס מוטורי הן משתנה מאוד בין אנשים, ולא תמיד קוטביות ספציפית 22. ביקורת דומה גם הטלה לקראת תוצאות בתחום הקוגניטיבי 23. זה עשוי לעזור להסביר מדוע השפעות על תפקודים קוגניטיביים קשות יותר לזהות ולפרש מההשפעות הישירות של המוח הקטן באזורים מוטוריים בשל עיכוב המוח הקטן-מוח (CBI 20). תצפיות כאלה להדגיש את הצורך להבין טוב יותר גורמים אישיים הקובעים את היעילות של stimulat המוחיון, ולפתח פרוטוקולים משופרים לגירוי המוח.
שינויים בתפקודים מוטוריים וקוגניטיביות שני הם מבחינה פיזיולוגית סבירים באמצעות גירוי חשמלי של מסלול cerebello-thalamo-קליפת המוח 24. בכל הקשור לתפקודים קוגניטיביים, אפקט modulatory של המוח הקטן-tDCS על זיכרון עבודה מילולי דווח 25,26. והשפעות ארוכות טווח על הקוגניציה מגירוי אזורים בקליפת מוח הקדם חזיתית גם הם נצפו 2,3,4,5. עם זאת, ההשפעות הפיזיולוגיות של גירוי מוח על נוירונים שונות, תלויים אם התנהגות נבדקה (השפעות על-line) במהלך או אחרי (אפקטי off-line) תקופת גירוי 27. היה מי שהציע שהשפעות על השורה עשויות לכלול שינויים בסביבה תאית (למשל., ריכוזי יון) ושיפוע אלקטרוכימיים (למשל, פוטנציאל קרום), ואילו השפעות חוץ-הקו עשויות לכלול שינויים לאורך זמן רב יותר בפעילויותיו העצביותty בשל תהליכים תאיים שינו (למשל, פלסטיות קולט) 27. המחקר הנוכחי בוחן את ההשפעות off-line, לפי tDCS מיושמת ב- בין שני מפגשים של בדיקות קוגניטיביות, והתנהגות בהשוואה בין שני המפגשים.
חוקר תפקיד למוח הקטן בקוגניציה נעזר בשימוש במשימות שהעבר הוכחו כרוכות תפקוד המוח הקטן. משימה מסוימת אחד כרוך הנמקה חשבון ותשומת לב חצויה ונקראת התוספת בקצב אישי השמיעתי סידורי משימות (Pasat 28). זה כבר נעשה שימוש נרחב כדי להעריך תפקודים קוגניטיביים שונים בשתי אוכלוסיות בריאים ומטופל. הבדיקה כרוכה בדרך כלל משתתפים האזינו למספרים מוצגים בכל 3 שניות, והוספת המספר שהם שומעים למספר ששמע לפני (ולא נותן בסך הכל פועל). זוהי משימה מאתגרת ומטילה ברמה גבוהה של WM, תשומת לב ויכולת חשבון. זה כרוך גם activity במוח הגדול והמוח הקטן הקשורים לאלמנטים מסוימים אלה של המשימה כפי שנחשף בPET 29 ו -30 MRI. כדי להפוך את המשימה יותר קשה מבחינה קוגניטיבית וattentionally תובעני (כפי שאושר על ידי אחרים במחקר שנערך לאחרונה 31, ההוראות המקוריות שונו כך שהמשתתפים נדרשו להפחית את המספר שהם שומעים מהמספר ששמע לפני. אנו קוראים למשימה חדשה זו בקצב שמיעה סידורי חיסור משימות (PASST 1), וקשה יותר לביצוע מאשר Pasat כפי שמעידים דירוגים סובייקטיבית של קושי משימה וזמני תגובה ארוכים יותר באופן משמעותי 1. שני הגרסאות של המשימה נכללו כך שאחד מהם הייתה יותר מבחינה קוגניטיבית קשה ו attentionally בדרישה לבצע יותר מהשני, ואילו דרישות מוטוריות (מבצעים חשאי דיבור) היו דומות בשתי משימות. אם המוח הקטן מעורב בהכרה, ולאחר מכן perturbing הפונקציה שלה עם tDCS עלול להפריע לתפקיד של זה זהtructure במהלך ההופעה בPASST, אך לא בהכרח על Pasat.
משימה נוספת בשימוש נרחב כדי לחקור את תפקיד למוח הקטן בהיבטי דיבור ושפה של קוגניציה היא הפעלים דור המשימות (VGT 32,33,34,35,36,37). כמו Pasat, זה כבר נעשה שימוש נרחב כדי לבדוק את זיכרון עבודה מילולית באוכלוסיות בריאה ומטופל. בעיקרון, VGT דורש משתתף לומר בקול רם פועל (למשל, כונן) בתגובה לעצם הציג חזותי (למשל, רכב), בהשוואה לביצועים במשימה שליטה לפי משתתפים לקרוא שמות עצם בקול רם. יש פעלים שהניבו ושמות עצם קריאת דרישות תפיסתי ומנוע דומים, אבל דרישות שונות WM המילולי (כלומר, ניתוח סמנטי יותר). ופעילות רבה יותר ברשת Cerebro-המוח הקטן קשורה ליצירת פעלים לעומת קריאה של שמות עצם 34,35,36. מילות נוצרות גם יותר מהר (השפעה של אתחול) כאשר המשימותחזר שימוש באותן מילות (בסדר אקראי) על פני בלוקים, ומגביר את פעילות Cerebro-המוח הקטן כפי שנצפה על PET 33 וfMRI 37.
במאמר זה, הליך מתואר ליישום tDCS על המוח הקטן כדי לחקור את תפקיד למבנה מוח זה בקוגניציה, יחד עם שני חשבון (ניסוי אחד) ושלוש משימות שפה (ניסוי שני) של קושי שונה, שבו שלוש קבוצות נפרדות של משתתפים נערכו לפני ואחרי תקופת הגירוי. חוקרים שערנו, קבל תפקיד למוח הקטן בקוגניציה, ביצועים שעל המשימות תובעניות יותר (כלומר, PASST ודור פועל) יהיו מושפע יותר על ידי tDCS (אפקטי off-line) מאשר ביצועים במשימות תובעניות פחות (Pasat ושם עצם / פועל קריאה).
Protocol
Representative Results
Discussion
TDCS הפך לכלי פופולרי בשנים האחרונות לחקר יחסי המוח-התנהגות. המאמר הנוכחי מתאר הליך לחקירת תפקודים קוגניטיביים של המוח הקטן באמצעות tDCS ובדיקות שונות של חשבון ושפה שדורשות דרגות שונות של זיכרון ותשומת לב עובד. התוצאות של ניסוי אחד הראו גירוי איך cathodal של הדיוק תקין של המוח הקטן משימה השתפרה חצי כדור והשתנות תגובה מילוליות (יחסית לanodal וגירוי דמה) במהלך משימת עיבוד מידע קשה ותובענית מבחינה קוגניטיבית מעורבות חיסור נפשי (משימת חיסור סידורי השמיעתית בקצב [ PASST]), אך לא בגרסה פשוטה יותר ופחות תובענית הכרוכות בתוספת נפשית (המשימה בקצב השמיעה סידורי בנוסף [Pasat]). מאחר ששני משימות אלה לשתף את השליטה מוטורית דומה (כלומר, פעולות מילוליות), אבל עומס הקוגניטיבי שונה (כלומר., מאמץ נפשי), אנו מעריכים במחקר הקודם שלנו1 כי דיכאון cathodal של קליפת המוח הקטן תקין אולי ישחרר משאבים קוגניטיביים נוספים כאשר דרישות משימה הן גבוהות. Cathodal tDCS היה צפוי hyperpolarize המוח הקטן, לדכא תפוקת תא פורקינג ', ולהפחית את עיכוב המוח הקטן-מוח (CBI 20). השקפה זו נתמכת על ידי הממצא שהקישוריות תפקודית בין המוח הקטן וקליפת מוח הקדם חזיתית (כלומר, cerebello-thalamo-קליפת המוח מסלול 10) בחשבון היא מוכוונת המשימה וdifficulty- 43 רגישים. התוצאות מניסוי אחד לא יכול להיות מוסברת על ידי שינוי בתרומת המוח הקטן לשליטה מוטורית, כמו אלה הן דומות בPasat וPASST, אבל התהליכים הנפשיים הנדרשים לביצוע חיסור לעומת בנוסף הם שונים. התוצאות מניסוי זה מציעות במקום שהשפעות של המוח הקטן-tDCS על הכרה צפויות מוכוונת משימה או עומס ספציפי. בניסוי שני, גירוי cathodal גם השתפר באופן סלקטיבי ביצוע משימה בפרוטוקול שפה, כך שהתגובות לי מהר יותר והיו בעיתוי יותר באופן עקבי בחמישה בלוקים רצופים של ניסויים שבי משתתפים שנוצרו פעלים בתגובה לשמות עצם הציגו חזותי. השפעה תחול זה השלימה את התוצאות מניסוי אחד, וגם ממצאים על ידי אחרים מראים tDCS איך anodal על קליפת מוח הקדם חזיתית שמאל דורסולטרלי (DLPFC) יכול לשפר את השטף מילולי 40 ותמונה latencies שמות 41,44 – תמיכה בהשערה כי אותם דפוסי הסיוע רשאי שנצפה לאחר tDCS cathodal מעל חצי הכדור של המוח הקטן ימינה (כפי שנצפה בניסוי שני). יחדיו, ממצאים אלה תומכים בתפקיד למוח הקטן – אם כי עקיף – בשפה, למידה וזיכרון 45, הלוואות תמיכה נוספת לרעיון שהמוח הקטן יכול להשפיע על תהליכים קוגניטיביים בקליפת מוח הקדם חזיתית: אתר מרכזי לזיכרון עבודה רב (WM פעולות).
שיפורים קוגניטיביים arדואר פיזיולוגי מתקבל על הדעת כי המוח הקטן מפעיל השפעה מרחוק על הרגישות בDLPFC, באמצעות עירור של Cerebro – מסלול המוח הקטן. עדות נוספת לצימוד בין המוח הקטן וקליפת מוח הקדם חזיתית מתוארת בעבודה על ידי חמאדה ועמיתים, לפיה פלסטיות אסוציאטיבית הנגרמת על ידי גירויים לזווג ב 25 ms חושיים / מנוע – לזווג גירוי אסוציאטיבי (PAS), נצפה להיות חסום על ידי cerebellar- tDCS 46. והפעלות יומיות של גירוי מגנטי transcranial (TMS) על המוח הקטן הוכחו כדי לשפר את השליטה ביציבה והליכה, וכפול-tasking במטופל עם ניוון המוח הקטן 47. שיפורי מנוע וקוגניטיביים אלה סומנו על ידי גידול במנוע פוטנציאלים מעוררים הנגרמים על ידי גירוי קליפת המוח מוטורי כאשר המוח הקטן היה גם נרגש כמה אלפיות מראש (חקרו עם dual-סליל, TMS לזווג דופק), בשל עיכוב המוח הקטן-מוח מופחת ( CBI) שנמשך 6 חודשים לאחר הטיפול. Farzan ועמיתי 47 זוכה השיפורים בתפקוד הקוגניטיבי לתוצאה של תפקוד מוטורי משופר ושחרור משאבים לביצוע המשימה הכפולה. ההפחתה בכת הנגרמת על ידי TMS יכולה להיות גם שיפור תפקוד המוח הקדם חזיתית בקליפת המוח באופן ישיר, באמצעות erebro ג המרגש – מעגלי המוח הקטן – שיפור יכולת הקוגניטיבית. ההסבר אחרון זה הוא בהסכם עם שנצפה באמצעות השיטות שתוארו במאמר הנוכחי המדגימים הליך באופן סלקטיבי שיפור WM המילולי אחרי המוח הקטן-tDCS.
השיטות שתוארו כאן להדגים כיצד גירוי המוח חשמלי של המוח הקטן יכול לווסת את התפקודים קוגניטיביים ולשפר את הביצועים במשימות שדורשות רמה גבוהה של עומס קוגניטיבי. ממצא זה מקביל את ההשפעות החיוביות מגירוי DLPFC, אשר יכול לשפר את הביצועים על פני משכי זמן ארוכים חשבון 2 </sup>, ולהקל על דור פתרון לבעיות קשות, אך לא לבעיות 3 קלים. למעשה, tDCS על קליפת מוח הקדם חזיתית יכול לשפר את הביצועים במגוון רחב של משימות קוגניטיביות במשתתפים בריאים 4,5, חוקרים מוביל להעסיק גירוי מוח חשמלי ככלי טיפולי לטיפול בליקויים קוגניטיביים בחולים לאחר שבץ 48, ובחולים עם מחלת פרקינסון 41. ואכן, כיוונים עתידיים לtDCS כוללים שימוש בו ככלי לשינוי התנהגות על ידי גרימת שינויים מתמשכים במוח. TDCS כסוג של תרפיה גירוי המוח הוא שווה לחקור באוכלוסיות חולים מסיבות ברורות 24.
במאמר זה, שלבים הקריטיים ביותר עבור אפנון מוצלח של tDCS קוגניציה באמצעות הם: 1) תפירת משימה-קושי לרמה של משתתפי ביצועים; מיקום של האלקטרודה הגירוי על אזור המוח הרצוי עקבי ומדויק 2); 3) לא להבטיחכובע שני אלקטרודות נשמרים לח לאורך כל תקופת הגירוי כדי למנוע ממריץ כיבוי (להרטיב עם מי מלח נוסף במידת צורך). כמו כן, חשוב להרגיע את המשתתפים (חרדת הפחתה) תחושות שחשו במהלך הגירוי ייעלמו לאחר מספר שניות – עוזבים tDCS בלתי נתפסת. שינויים עתידיים עשויים לכלול ניהול tDCS במהלך ביצוע משימה (או כך לפחות זה חופף להתנהגות) לחקור תופעות על-קו. ביצוע המשימה היה אז להיות בהשוואה בין תנאים פעילים ובסיס (כלומר, העמדת פנים ו / או cathodal לעומת דמה anodal לעומת), במקום השוואת ביצועים לפני ואחרי תקופת הגירוי. היעילות ארוכת הטווח של גירוי DC היא גם שווה לבחון מנקודת המבט של שימוש tDCS כדי לתקן את הסימפטומים של הפרעה בתפקוד הקוגניטיבי, יחד עם פרדיגמות שעשויות לייצר אפקטים חזקים יותר. זה עשוי להיות כרוך בפרוטוקולים המספקים רצף של תקופות גירוי קצרות (ולא blo אחתck), לפיה הפגישות הבאות של tDCS "למעלה למעלה" ההשפעות מהמושב הקודם. אספקת הפעלות גירוי מרובות עלולה לגרום לעלייה המצטברת בביצועים, ולא שינויים פחותים המתפתחים לאט יותר על פגישה אחת. אתגרים כגון אלה וגם כיוונים עתידיים למחקר קליני עם tDCS נסקרו על ידי Brunoni ועמיתים 49.
הפוטנציאל לשימוש tDCS ככלי טיפולי לתיקון הסימפטומים קוגניטיביים של מחלות מסוימות רק לאחר כינונה של הנוהל כבר הבנתי טוב יותר ומשתלט עליו. לדוגמא, את ההשפעות של tDCS מעל הקורטקס מוטורי לאחרונה נמצאו משתנה מאוד בין אנשים, ולא תמיד קוטביות ספציפית 22,23. אותו גם נאמר להשפעות של tDCS בתחום הקוגניטיבי 23. יש עדיין מוגבל על נתונים הנוגעים להשפעות שיפור נוירו של tDCS באופן כללי. אבל זה יכול להיות במקרה הבoff-line השפעות של tDCS על המוח הקטן מסוגלות לשפר התנהגות ביותר כאשר משתתפים צריכים לעסוק באופן מלא עם משימה קוגניטיבית קשה, או כאשר הם מוצאים את המשימה קשה לביצוע משום שהיא הופכת את דרישות גבוהות על WM ומשאבי קשב. השקפה זו מצביעה על כך שההשפעות של המוח הקטן-tDCS על הכרה עשויות להיות מוכוונת משימה או תלויות load-: תיווך אולי על ידי שיפור תפקודים קוגניטיביים בחלקים של מסלול Cerebro-המוח הקטן הפועלים בזמן הגירוי. פרשנות זו של מקבילות הנתונים שלנו גם עם זה של השפעות של tDCS על קוגניציה, אשר חשב כרגע להיות רגיש למצב של הרשת הפעילה בזמן הגירוי 50 on-line. TDCS לא עשוי להוביל לשינויים בביצועים אם יש משאבים קוגניטיביים מספיק זמינים כדי לבצע את המשימה היטב, אבל רק כאשר מערכת עוסקת, כך שהוא משתמש במשאבים רבים יותר. ואכן, מחקרי fMRI מראים כיצד פעילות עצבית ברשת חזיתית-הקודקודית היא positively מתואם עם מורכבות משימה מוגברת 51.
לסיכום, מאמר זה מתואר הליך גירוי המוח שמשמש tDCS כדי לעורר את המוח הקטן בסדרה של משימות עיבוד מידע עם משתנה עומס קוגניטיבי, שבי cathodal דיכאון של פעילות המוח הקטן (ולא anodal עירור) ביצועים משופרים בattentionally התובעני וקשה משימות קוגניטיביות. אנחנו תהינו אם זה יכול להיות מושגת על ידי דיס-עיכוב של אזורי WM של קליפת מוח הקדם חזיתית: שחרור משאבים קוגניטיביים נוספים כאשר משימות מסוימות הן קשות לביצוע. הבנה טובה יותר של גורמים אישיים הקובעים את היעילות של tDCS שנדרש כעת בתקווה כי תצאו ממחקר נוסף, יחד עם פרוטוקולים משופרים להעברת גירוי חשמלי של מוח באוכלוסיות בריאה ומטופל. כך, מאמצי עתיד עשויים לכוון תיקון הסימפטומים קוגניטיביים של מחלות מסוימות באמצעות חשמל transcranialגירוי מוחי iCal ככלי שיקום הקוגניטיבי לווסת מעגלי Cerebro-המוח הקטן.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Acknowledgement: This work was funded by Wellcome Trust grant WT087554.
Materials
| 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 |
References
- Pope, P. A., Miall, R. C. Task-specific facilitation of cognition by cathodal transcranial direct current stimulation of the cerebellum. Brain Stimulation. 5, 84-94 (2012).
- Snowball, A., et al. Long-term enhancement of brain function and cognition using cognitive training and brain stimulation. Current Biology. 23, 987-992 (2013).
- Metuki, N., Sela, T., Lavidor, M. Enhancing cognitive control components of insight problems solving by anodal tDCS of the left dorsolateral prefrontal cortex. Brain Stimulation. 5, 110-115 (2012).
- Zaehle, T., Sandmann, P., Thorne, J. D., Jäncke, L., Herrmann, C. S. Transcranial direct current stimulation of the prefrontal cortex modulates working memory performance: combined behavioural and electrophysiological evidence. BMC Neuroscience. 12, 2 (2011).
- Fregni, F., et al. Anodal transcranial direct current stimulation of prefrontal cortex enhances working memory. Experimental Brain Research. 166, 23-30 (2005).
- Pope, P., Miall, R. C. How might the cerebellum participate in motor control, if life one is possible. ACNR. 10, 16-18 (2011).
- Hoover, J. E., Strick, P. L. The organization of cerebellar and basal ganglia outputs to primary motor cortex as revealed by retrograde transneuronal transport of herpes simplex virus type 1. Journal of Neuroscience. 19, 1446-1463 (1999).
- Kelly, R. M., Strick, P. L. Cerebellar loops with motor cortex and prefrontal cortex of a nonhuman primate. Journal of Neuroscience. 23, 8432-8444 (2003).
- Middleton, F. A., Strick, P. L. Cerebellar output: motor and cognitive channels. Trends in Cognitive Science. 2, 348-354 (1998).
- Middleton, F. A., Strick, P. L. Cerebellar 'projections' to the prefrontal cortex of the primate. Journal of Neuroscience. 21, 700-712 (2001).
- Balsters, J. H., et al. Evolution of the cerebellar cortex: The selective expansion of prefrontal-projecting cerebellar lobules. Neuroimage. 43, 388-398 (2010).
- Strick, P. L., Dum, R. P., Fiez, J. A. Cerebellum and non-motor function. Annual Review of Neuroscience. 32, 413-434 (2009).
- Schmahmann, J. D. An emerging concept: the cerebellar contribution to higher function. Archive of Neurology. 48, 1178-1187 (1991).
- Schmahmann, J. D. Dysmetria of thought: clinical consequences of cerebellar dysfunction on cognition and affect. Trends in Cognitive Science. 2, 362-371 (1998).
- Schmahmann, J. D., Sherman, J. C. The cerebellar cognitive affective syndrome. Brain. 121, 561-579 (1998).
- Stoodley, C. J., Schmahmann, J. D. Functional topography in the human cerebellum: a meta-analysis of neuroimaging studies. Neuroimage. 44, 489-501 (2009).
- Stoodley, C. J., Valera, E. M., Schmahmann, J. D. Functional topography of the cerebellum for motor and cognitive tasks: An fMRI study. Neuroimage. 59, 1560-1570 (2012).
- Heath, R. G., Llewellyn, R. C., Rouchell, A. M. The cerebellar pacemaker for intractable behavioral disorders and epilepsy: follow-up report. Biological Psychiatry. 15, 243-256 (1980).
- Parazzini, M., Rossi, E., Ferrucci, R., Liorni, I., Priori, A., Ravazzani, P. Modelling the electric field and the current density generated by cerebellar transcranial DC stimulation in humans. Clinical Neurophysiology. 125, 577-584 (2013).
- Galea, J. M., Jayaram, G., Ajagbe, L., Celnik, P. Modulation of cerebellar excitability by polarity-specific noninvasive direct current stimulation. Journal of Neuroscience. 29, 9115-9122 (2009).
- Middleton, F. A., Strick, P. L. Basal ganglia and cerebellar loops: motor and cognitive circuits. Brain Research Reviews. 31, 236-250 (2000).
- Wiethoff, S., Hamada, M., Rothwell, J. C. Variability in response to transcranial direct current stimulation of the motor cortex. Brain Stimulation. 3, 468-475 (2014).
- Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Experimental Brain Research. 216, 1-10 (2012).
- Pope, P. A., Miall, R. C. Restoring cognitive functions using non-invasive brain stimulation techniques in patients with cerebellar disorders. Frontiers in Psychiatry. 5, 33 (2014).
- Ferrucci, R., et al. Cerebellar transcranial direct current stimulation impairs the practice-dependent proficiency increase in working memory. Journal of Cognitive Neuroscience. 20, 1687-1697 (2008).
- Boehringer, A., Macher, K., Dukart, J., Villringer, A., Pleger, B. Cerebellar transcranial direct current stimulation modulates verbal working memory. Brain Stimulation. 6, 649-653 (2013).
- Stagg, C. J., Nitsche, M. A. . Physiological Basis of Transcranial Direct Current Stimulation. Neuroscientist. 17, 37-53 (2011).
- Gronwall, D. M. Paced auditory serial-addition task: a measure of recovery from concussion. Perceptual and Motor Skills. 44, 367-373 (1977).
- Lockwood, A. H., Linn, R. T., Szymanski, H., Coad, M. L., Wack, D. S. Mapping the neural systems that mediate the Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT). Journal of the International Neuropsychological Society. 10, 26-34 (2004).
- Hayter, A. L., Langdon, D. W., Ramnani, N. Cerebellar contributions to working memory. Neuroimage. 36, 943-954 (2007).
- Yasuda, K., Sato, Y., Iimura, N., Iwata, H. Allocation of Attentional Resources toward a Secondary Cognitive Task Leads to Compromised Ankle Proprioceptive Performance in Healthy Young Adults. Rehabilitation Research and Practice. 2014, (2014).
- Fiez, J. A., Peterson, S. E., Cheney, M. K., Raichle, M. E. Impaired non-motor learning and error detection associated with cerebellar damage. A single case study. Brain. 115, 155-178 (1992).
- Raichle, M. E., et al. Practice-related changes in human brain functional anatomy during nonmotor learning. Cerebral Cortex. 4, 8-26 (1994).
- Petersen, S. E., Fox, P. T., Posner, M. I., Mintun, M., Raichle, M. E. Positron emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature. 331, 585-589 (1988).
- Petersen, S. E., Fox, P. T., Posner, M. I., Mintun, M., Raichle, M. E. Positron emission tomographic studies of the processing of single words. Journal of Cognitive Neuroscience. 1, 153-170 (1989).
- Ackermann, H., Wildgruber, D., Daum, I., Grodd, W. Does the cerebellum contribute to cognitive aspects of speech production? A functional magnetic resonance imaging (fMRI) study in humans. Neuroscience Letters. 247, 187-190 (1998).
- Seger, C. A., Desmond, J. A., Glover, G. A., Gabrieli, J. D. E. Functional magnetic resonance imaging evidence for right-hemisphere involvement in processing unusual semantic relationships. Neuropsychology. 14, 361-369 (2000).
- Nitsche, M. A., Liebetanz, D., Antal, A., Lang, N., Tergau, F., Paulus, W. Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation–technical, safety and functional aspects. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 255-276 (2003).
- Hummel, F., et al. Effects of non-invasive cortical stimulation on skilled motor function in chronic stroke. Brain. 128, 490-499 (2005).
- Iyer, M. B., Mattu, U., Grafman, J., Lomarev, M., Sato, S., Wassermann, E. M. Safety and cognitive effect of frontal DC brain polarization in healthy individuals. Neurology. 64, 872-875 (2005).
- Boggio, P. S., et al. Effects of transcranial direct current stimulation on working memory in patients with Parkinson’s disease. Journal of Neurological Sciences. 249, 31-38 (2006).
- Davis, N., Gold, E., Pascual-Leone, A., Bracewell, R. Challenges of proper placebo control for noninvasive brain stimulation in clinical and experimental applications. European Journal of Neuroscience. 38, 2973-2977 (2013).
- Feng, S., Fan, Y., Yu, Q., Lu, Q., Tang, Y. Y. The cerebellum connectivity in mathematics cognition. BMC Neuroscience. 9, P155 (2008).
- Fertonani, A., Rosini, S., Cotelli, M., Rossini, P. M., Miniussi, C. Naming facilitation induced by transcranial direct current stimulation. Behavioral Brain Research. 208, 311-318 (2010).
- Desmond, J. E., Fiez, J. A. Neuroimaging studies of the cerebellum: Language, learning and memory. Trends in Cognitive Science. 2, 355-362 (1998).
- Hamada, M., et al. Cerebellar modulation of human associative plasticity. Journal of Physiology. 590, 2365-2374 (2012).
- Farzan, F., et al. Cerebellar TMS in treatment of a patient with cerebellar ataxia: evidence from clinical, biomechanics and neurophysiological assessments. Cerebellum. 12, 707-712 (2013).
- Jo, J. M., Kim, Y. H., Ko, M. H., Ohn, S. H., Joen, B., Lee, K. H. Enhancing the working memory of stroke patients using tDCS. American journal of Physical Medicine and Rehabilitation. 88, 404-409 (2009).
- Brunoni, A. R., et al. Clinical Research with Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS): Challenges and Future Directions. Brain Stimulation. 5, 175-195 (2012).
- Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 37, 1702-1712 (2013).
- Kroger, J. K., Sabb, F. W., Fales, C. L., Bookheimer, S. Y., Cohen, M. S., Holyoak, K. J. Recruitment of Anterior Dorsolateral Prefrontal Cortex in Human Reasoning: a Parametric Study of Relational Complexity. Cerebral Cortex. 12, 477-485 (2001).
