Modulando Cognition Usando Transcraniana direto Estimulação atual do cerebelo
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
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
Representative Results
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 </sup>, e facilitar a geração de solução para problemas difíceis, mas não para problemas fáceis 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.
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 |
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