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.
多くの研究は、経頭蓋電気脳刺激を使用して、記憶および注意の作業に関与エキサイティング脳領域によって調節の可能性を実証することが最近出現し、場合によっては、認知プロセスを強化している。一部の研究者は現在、小脳、おそらく前頭前皮質上のリモート神経調節作用を経由して、認知をサポートしています信じています。本稿では、以前にワーキングメモリ、注意と小脳の機能に関与することが示されている経頭蓋直流電流刺激(TDCは)、およびタスク難易度の異なる情報処理タスクの選択を使用して認知の小脳の役割を調査するための手順について説明します。 Oneタスクはペース聴覚シリアル追加タスク(PASAT)と、このタスクの他の新規変種はペース聴覚シリアル減算タスク(PASST)と呼ばれると呼ばれている。動詞生成タスクとその2つのコントロール(名詞と動詞読書)も調査した。すべての5トン右小脳皮質の上に陽極、陰極または偽のTDCを使用して皮質 – 小脳接続性の変調前と後、参加者の3つの別々のグループによって行われた要求します。手順は、性能(精度、言葉による反応潜時と変動)が選択的に陰極刺激の後、唯一の参加者は難しく、かつ容易ではないと評価されたタスクの間に改善することができた方法を示しています。パフォーマンスが陽極または偽刺激によって変化しなかった。これらの知見は、左前頭前野の活動は、右小脳皮質の上に陰極のTDCによってDISが禁止やすくなる、認知の小脳の役割を実証する。経頭蓋脳刺激は、さまざまなラボや診療所で人気が高まっている。しかし、後遺症のTDCの個人とは限らない極性固有の間で矛盾している、とさえ、さらなる研究が必要でそのすべてが、タスクにまたは負荷特異的であってもよい。今後の努力はまた、神経enhancの方に案内されることがあります認知障害を呈する小脳患者でementは一度脳刺激メカニズムのより良い理解が浮上している。
電気は100年以上にわたって医学で使用されている。今日では、脳刺激は、より頻繁に、モータと認知機能が大脳と小脳、およびどのようにこれら2脳領域間の接続は、これらの機能をサポートすることによって行われている方法についてのテストの仮説のための研究ツールとして様々な研究室や診療所で使用されるようになっている。小脳に関しては、この手順は比較的であるため、認知に関与すると考えられている横方向の小脳半球が、経頭蓋電気刺激にアクセス可能である(下記参照)の偏光電流の影響に敏感であり、理由の一つである安価で人間の参加者に実施が容易。現在の資料に記載脳刺激手順は、ワーキングメモリや注意などの認知過程が「より」ではなく「少ない」認知的に1を要求しているタスクの中に容易にすることができる方法を示しています。解釈するこれらのタスク固有の結果のATIONは、しっかりと脳小脳経路の生理学の理解によって拘束されている。神経増強効果は、タスクが困難な場合であっても、また、前頭前皮質の2,3,4,5の電気刺激後に観察される。
小脳は運動6を予測タイミングおよび実行において重要な役割を果たしている。しかし、研究の種々のラインは現在、小脳が認知プロセスに影響を与える可能性が示唆された。解剖ドメインでは、例えば、非常に多くの研究が前頭前皮質と小脳の領域の間の相互接続( すなわち 、脳小脳経路は)認知7,8,9,10,11,12をサポートする可能性があることを示唆している。臨床ドメインでは、症状は「測定障害思考の「仮説に概念化され、知的、感情的な問題を持つ後部小脳に存在する特定の部分に損傷患者の一部、および臨床的に「被害を持つものは、小脳の一部を前方せながら、小脳認知感情症候群(CCAS)運動障害( 例えば 、運動失調)と共に存在ととして概念化」と呼ばれる運動」13,14,15の測定障害。脳画像ドメインでは、Schmahmannと同僚16,17は、タスク固有の小脳の領域およびこれらの領域は、モータと認知作業時前頭ローブとする接続をマッピングする機能的磁気共鳴画像法(fMRI)及び機能的結合を使用している。
これらは以前に小脳のいわゆる非運動領域を活性化することが示されたため、本研究で提示認知タスクを選択した。彼らはまた、モータと、それらを正しく実行するために必要なモータの要求に認知相対レベルを変化させることによって達成された認知タスクコンポーネント、および脳刺激広報の介入を分割することができまし以前に脳動作関係を調節することが示されているocedure。脳機能と行動を調節する最近の試みは、頭皮全体の偏光電流の使用を含め呼ばれる、経頭蓋直流電流刺激(TDCは)している。実際には、臨床医は治療結果18を奨励するとともに、1970年代以来の患者集団における埋め込 まれた電極との小脳皮質を刺激してきた。今日では、頭皮全体で脳を刺激し、健康な参加者における脳の挙動の関係を研究するために有用であることが実現される。
ヒトでのTDCは、通常、連続して15〜20分間、生理食塩水に浸した一対の電極を通じて(DC)低い(1-2 MA)直流電流を提供することを含む。なし(脳を刺激するための典型的な電極モンタージュは、(関心の脳領域上)の頭の上に置かれている1(陽極)電極を伴う可能性があり、他の(陰極)電極は、頬(橈側)や肩に置かれるN-頭)体の反対側に。小脳を刺激する場合には、二つの電極の間に脳内の電流の流れは、近くの領域(例えば、視覚野19)に比較的小さな機能的な広がりを持ち、神経生理学的および行動の両方を産生する、励起または小脳皮質20にプルキンエ細胞を押下すると考えられている変化。現在のヒトにおける小脳のTDCの影響の広がりをモデリングデータから、または動物実験から、および運動皮質上の間接的な影響から推測される。モータードメインでは、効果はまた、運動皮質興奮20上小脳刺激の結果によって証明されるように、極性が固有であることが示されている。例えば、陽極の刺激は、一般的に興奮性の効果を有し、プルキンエ細胞の出力を増加させる。陰極刺激はほぼ反対EFFEを有するが、大脳皮質、小脳核からの促通経路の阻害を増加させるカラットすなわち 、小脳核のプルキンエ細胞の阻害を減少させることによって大脳皮質の投阻害。霊長類における解剖の研究では、プルキンエ細胞が腹側方視床21におけるシナプスリレーを介して、モータと認知回路の両方に促通ドライブを発揮することができるかを明らかにした。しかし、ヒトにおける最近のTDCの研究は、陽極、陰極の区別が明確なことではないことを示唆している。例えば、運動皮質上のTDCの後の効果は個人間で非常に可変であり、常に極性固有の22ではありません。同様の批判も認知領域23での結果の方に課税されます。認知機能への影響が検出し、小脳脳阻害による運動野に小脳の直接的な影響(CBI 20)よりも解釈することがより困難である理由を説明するのに役立ち得る。このような観察は、より良好な脳stimulatの有効性を決定する個々の要因を理解する必要性を強調イオン、および脳を刺激するための改良されたプロトコルを開発する。
両方のモーターと認知機能の変化は小脳-視床皮質経路24の電気的な刺激を介して生理的にもっともらしいです。認知機能に関しては、口頭でのワーキングメモリ上の小脳-TDCのの調節効果は25,26報告されている。そして、前頭前皮質の領域を刺激するから認知に永続的な影響は、2,3,4,5をも観察される。しかしながら、ニューロン脳刺激の生理学的効果は、行動が中に(オンライン効果)または(オフライン効果)刺激期間27の後にテストされているかどうかに応じて異なる。オフラインの効果は、神経activiで長持ちする変化が含まれるかもしれないが、それは、オンラインの効果は、細胞内環境の変化(例えば 、イオン濃度)及び電気化学的勾配( 例えば 、膜電位)を含んでもよいことが示唆されているTYにより、変化した細胞内プロセス( 例えば 、受容体の可塑性)27。 TDCのは、認知テストの2セッション間で適用されており、動作が2セッション間で比較され、それによって本研究では、オフラインの影響を調査する。
認知における小脳の役割を調査する以前に、小脳機能に関与することが示されているタスクの使用によって補助される。一つの特定のタスクは、算術的推論と分割的注意を伴い、ペース聴覚シリアル追加タスク(PASAT 28)と呼ばれている。これは、健康および患者集団の両方で、様々な認知機能を評価するために広く使用されている。テストは通常、数字を聞いて、参加者は3秒ごとに提示され、彼らは前に聞いた数(のではなく、実行中の合計を与える)に聞く数を加えることを含む。それは困難な作業であり、WM、注意と算術能力の高い学位を課している。また、ACTIを含む大脳とPET 29とMRI 30日に明らかにされるようにタスクのこれらの特定の要素に関連した小脳でVITY。もっと認知困難と最近の研究31で他の人によって確認されるようにattentionally(要求の厳しいタスクを作成するには、オリジナルの命令は、参加者は、彼らが前に聞いた数から聞い数を減算する必要があったこと。私たちは、この新しいタスクを呼び出すように変更されましたペーシングされた聴覚シリアル減算作業(PASST 1)、及び、タスクの難易度と有意に長い反応時間1の主観的評価によって証明されるようにPASATも実行することはより困難である。一つ以上の認知的困難になるように、タスクの両方のバージョンが含まれていたとモーターの需要(秘密の音声操作が)、タスク間で同等であったながらattentionally、他よりも実行するように要求し。小脳が認知に関与している場合は、その後のTDCでその機能を摂動することは、これはSの役割を妨害する可能性がありますPASSTでのパフォーマンス中に体制、必ずしもそうではないPASATに。
認知の音声言語の面の間に小脳の役割を調査するために広く使用される別のタスクが動詞世代タスク(VGT 32,33,34,35,36,37)です。 PASATように、それは健康および患者集団における言語的作業記憶を試験するために広く使用されている。基本的に、VGTは、参加者が声を出して名詞を読み取ることにより、制御タスクのパフォーマンスと比較して、視覚的に提示名詞( 例えば 、自動車)に反応して声を出して動詞( 例えば 、ドライブを)言って関与を必要とします。生成動詞と読書の名詞は、同様の知覚とモータの要求を持っていますが、別の口頭WMの要求( すなわち 、より大きな意味解析)。そして、脳小脳ネットワークにおいてより大きな活動は名詞34,35,36の読み取りと比べて動詞を生成するに関連付けられています。言葉はまた、より迅速に(プライミングの効果)タスクがあるときに生成されるPET 33とfMRIの37で観察されたように、ブロック、および脳小脳の活動が増加し全体で同じ言葉(順 不同)を使用して繰り返し。
この記事では、手順は、様々な難易度の2算術(実験1)と3つの言語の作業(実験2)、の3つの別々のグループと一緒に、認知のこの脳構造の役割を調査するために小脳の上のTDCを適用するために記載されている参加者は、前と刺激期間の後に行った。私たちは、認知の小脳の役割を考えると、仮説を立て、より厳しいタスク( すなわち 、PASSTと動詞の生成)上のパフォーマンスが厳しくないタスク(PASATと名詞のパフォーマンスよりのTDC(オフライン効果)によって、より影響を与えたことになる/動詞の読み)。
TDCは、脳·行動の関係を研究するための近年の一般的なツールとなっています。現在の記事では、TDCは、作業記憶および注意の様々な程度を必要とする算術と言語のさまざまなテストを使用して小脳の認知機能を調査するための手順を説明します。実験1の結果は右小脳半球改善されたタスクの正確さと精神的な減算が関与することは困難と認知厳しい情報処理タスク(ペース聴覚シリアル減算タスク[時に(刺激を陽極とシャムと比較して)言葉による応答の変動の方法陰極刺激を示したPASST])ではなく、精神的な加算を含む簡単で、要求の少ないバージョン(ペース聴覚シリアル追加タスク[PASAT])の間。これらのタスクの両方が同じようなモータ制御(すなわち 、言葉による操作)が、異種の認知的負荷( すなわち 、精神的な努力を)共有しているため、私たちは以前の研究で推測タスクの要求が高い場合、右小脳皮質の陰極うつ病は余分な認知リソースを解放可能性があることを1。陰極のTDCは、小脳のプルキンエ細胞の過分極の出力を低下し、小脳、脳阻害(CBI 20)を低減することが期待された。このビューは、算術中に小脳および前頭前皮質( すなわち 、小脳-視床皮質経路10)との間の機能の接続がタスクにあるとdifficulty-敏感43 という知見によってサポートされています。実験からの結果は、一これらはPASATとPASSTにおいて同等であるように、モータ制御に小脳の寄与の変化では説明できないが、それに加えに対して減算を実行するために必要な精神的なプロセスは異なる。この実験からの結果は、認知上の小脳-たTDCの効果はタスクに可能性や負荷に固有であることを代わりに示唆している。実験2では、陰極刺激はまた、選択中のタスクのパフォーマンスを改善応答が速くなった、より一貫して参加者が視覚的に提示され、名詞に応じて動詞を生成している臨床試験の5つの連続したブロックの上にタイムアウトしたことが、言語プロトコル、。このプライミング効果は、左背外側前頭前野(DLPFC)上の陽極のTDCは、待ち時間が41,44の命名言語の流暢40と画像をどのように改善できるかを示す他の人が実験1、そしてまた調査結果からの結果を補完-同じ円滑化パターンがあること仮説を支持し(実験2で観察されたように)右小脳半球の上に陰極TDCの後に観察される。まとめると、これらの知見は、小脳の役割を支持する-間接にもかかわらず-言語で、小脳は前頭前皮質で認知過程に影響を与えることができるという考えにさらなる支持を貸し、学習および記憶45:(多くの作業記憶のための主要部位WMを)操作。
認知機能強化は、AR小脳経路-小脳は脳の興奮を経由して、DLPFCで興奮を介したリモート影響を与えるため、電子生理的にもっともらしい。小脳および前頭前皮質との間の結合のためのさらなる証拠は浜田や同僚、25ミリ秒でペアになっ感覚/運動刺激によって誘発させた連想可塑性により作業に記述されている – ペア連想刺激(PAS)、cerebellar-によってブロックされることが観察されたTDCは46。小脳を超える経頭蓋磁気刺激(TMS)の毎日のセッションは、小脳萎縮47患者における姿勢制御、歩行、およびデュアルタスクを改善することが示されている。これらのモータと認知の改善はモーターの増加によってマークされていた小脳が数ミリ秒を事前に(減少による小脳脳阻害が、(デュアルコイル、ペアパルスTMSで調べ)にも興奮していた時にモーター皮質刺激による誘発電位そのCBI)治療後6ヶ月続いた。 Farzanと同僚47は、強化された運動機能の結果とデュアルタスクのパフォーマンスのためのリソースの解放に認知機能の改善を入金。 TMSによって誘発されるCBIの減少はまた刺激的なC言語 erebroを通じて、直接、前頭前野皮質の機能が改善されている可能性–小脳回路を-認知能力を向上させることができる。この後者の説明は、選択的に小脳、TDCの後の口頭WMを改善するための手順を実証する、本資料に記載された方法を用いて観察と一致している。
ここに記載される方法は、小脳の脳刺激、認知機能を調節し、認知的負荷の高いレベルを必要とするタスクの間のパフォーマンスを向上させることができる方法を電気実証する。この知見は、長い期間2上算術パフォーマンスを向上させることができDLPFC刺激からプラスの効果を、並行</SUP>、そして困難な問題のためのソリューションの生成を容易ではなく、簡単に問題は3のために。実際には、前頭前皮質上のTDCは、脳卒中48後の患者における認知障害を治療するための治療ツールとして、そしてパーキンソン病の患者では、電気脳刺激を採用することが、研究者をリードして、健康的な参加者は4,5における認知課題の様々なパフォーマンスを向上させることができ41。実際に、TDCのための将来の方向性は、脳における持続変化を誘導することによって動作を変更するためのツールとしての使用を含む。脳刺激療法の一形態としてのTDCは、明白な理由のための24の患者集団で探検する価値である。
この記事では、TDCのを使用して認知を正常に調節するための最も重要な手順は次のとおりです。1)性能の参加者のレベルにタスク難易度を調整する。 2)希望する脳領域の上に刺激電極の一貫性と正確な配置。 3)Tを確保帽子両方の電極は、(必要に応じて追加の生理食塩水で湿らせて)電源を切る、刺激を防ぐために、刺激期間を通して湿った保たれている。人目に付かないのTDCを残して – それは感覚が、数秒後に消え刺激中に感じたこと(不安を減らす)参加者を安心させることも重要です。将来の変更は、タスクのパフォーマンス中のTDCの投与が含まれる場合があり(またはので、それは行動と重複する)のオンラインの影響を調査する。タスクのパフォーマンスは、アクティブとベースライン条件( すなわち 、シャム対陽極および/ または偽対陰極)との間で比較ではなく、刺激期間の前と後のパフォーマンスを比較することになる。 DC刺激の長期的な効果は、より強固な効果を生み出すことができるパラダイムと一緒に、また、認知機能障害の症状を改善するのTDCを使用しての観点から探求する価値がある。これは、短い刺激期間の連続(のではなく、単一のBLOをお届けプロトコルを含むことができるCK)、それによってTDCは「トップアップ」前のセッションからの影響の以降のセッション。複数の刺激セッションを提供することはなく、1つのセッションを介して、よりゆっくり開発するより少ない変化よりも、パフォーマンスの累積増加を生成することができる。これらのようにもTDCの臨床研究の今後の方向としての課題はBrunoniと同僚49で検討されている。
手順はよりよく理解し、習得された後、特定の疾患の認知症状を改善するための治療ツールとしてのTDCを使用するための潜在的にのみ出現する。例えば、運動皮質上のTDCの効果は、最近、個人ではなく、常に極性固有22,23の間に高度に可変であることが見出されている。同じことがまた認知領域23内のTDCの影響と言われています。一般的にTDCはの神経増強効果に関するデータの約制限されたが依然として存在する。しかし、それは番目の場合もあるオフラインでの小脳上のTDCの効果は、参加者が完全に困難な認知課題と係合しなければならないときの挙動を改善する最も可能な、または彼らはそれがWMと注意資源に対する高い要求を行うので、実行するのに困難な作業を見つけたとき。このビューには、認知上の小脳-たTDCの効果はタスクにまたは荷重 – 依存する可能性があることを示唆している:刺激中にアクティブになっている脳小脳経路の部分で認知機能を改善することによって多分仲介。よく現在刺激50時間の間にアクティブなネットワークの状態に敏感であると考えられる認知上のTDCのオンライン影響のものと我々のデータは類似のこの解釈。 TDCは、よくタスクを実行するのに十分な認知資源がある場合は、パフォーマンスの変化をもたらさないかもしれないが、それはより多くのリソースを使用するようにシステムが係合されている場合のみ。確かに、fMRIの研究は、前頭頭頂ネットワーク内の神経活動がPOSITIあるかを示すvely増加タスクの複雑さ51と相関した。
結論として、この記事では、認知的負荷を変化させた情報処理一連のタスク中に小脳を刺激するためのTDCを使用脳刺激手順を説明した小脳の活動のうつ病(としない励起を陽極)を陰極においてattentionally厳しいと困難な時にパフォーマンスの向上認知課題。私たちは、これが前頭前野のWM領域のDIS-阻害することによって達成することが可能性があるかどうかを推測:特定のタスクを実行するのは困難であると、余分な認知リソースを解放。 TDCのの有効性を決定する個々の要因のより良い理解は、現在うまくいけば一緒に健康および患者集団における電気脳刺激を送達するための改良されたプロトコルで、さらなる研究から出てくることが必要である。このため、今後の努力は経頭蓋あるelectrを使用して、特定の疾患の認知症状を改善に向けて案内される可能性があります脳小脳回路を調節する認知リハビリテーションツールとしてiCalの脳刺激。
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 |