Cognición modulante Usando transcraneal directa Estimulación actual del 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 estudios han surgido recientemente que demuestran la posibilidad de modular, y en algunos casos mejorar, procesos cognitivos por regiones del cerebro implicadas en emocionantes memoria y la atención de trabajo utilizando transcraneal estimulación eléctrica del cerebro. Algunos investigadores creen ahora que el cerebelo apoya la cognición, posiblemente a través de un efecto neuromodulador remoto en la corteza prefrontal. En este trabajo se describe un procedimiento para investigar el papel de cerebelo en la cognición mediante la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS), y una selección de tareas de procesamiento de información de diversa dificultad de la tarea, que se ha demostrado previamente para involucrar a la memoria de trabajo, la atención y el funcionamiento del cerebelo . Una tarea se llama el ritmo personal auditivo Serial Addition Task (PASAT) y el otro una nueva variante de esta tarea llamado a ritmo auditivo Serial Sustracción de tareas (PASST). También se investigaron Una tarea de generación de verbo y sus dos controles (sustantivo y verbo de lectura). Los cinco tpide fueron realizados por tres grupos separados de los participantes, antes y después de la modulación de la conectividad cortico-cerebelosa utilizando anódica, catódica o tDCS farsa sobre la corteza cerebelosa derecha. El procedimiento muestra cómo el rendimiento (precisión, la latencia de respuesta verbal y la variabilidad) se podrían mejorar selectivamente después de la estimulación catódica, pero sólo durante las tareas que los participantes calificaron como difícil, y no es fácil. Rendimiento se mantuvo sin cambios por anódico o estimulación simulada. Estos hallazgos demuestran un papel para el cerebelo en la cognición, por lo que la actividad en la corteza prefrontal izquierda es probable dis-inhibida por tDCS catódica más de la corteza cerebelosa derecha. La estimulación cerebral transcraneal está creciendo en popularidad en varios laboratorios y clínicas. Sin embargo, las secuelas de tDCS son inconsistentes entre los individuos y no siempre polaridad específica, e incluso pueden ser task- o carga específica, todo lo cual requiere más estudio. Los esfuerzos futuros también podrían ser guiados hacia neuro-enhancuna vez que ha surgido una mejor comprensión de los mecanismos de estimulación cerebral en pacientes ele- cerebelosos se presentan con deterioro cognitivo.
Introduction
La electricidad ha sido utilizado en la medicina por más de 100 años. Hoy en día, la estimulación cerebral se está acostumbrando más frecuentemente en varios laboratorios y clínicas como herramienta de investigación para probar hipótesis acerca de cómo las funciones motoras y cognitivas son realizadas por el cerebro y el cerebelo, y cómo las conexiones entre estas dos regiones del cerebro apoyan estas funciones. Con respecto a la cerebelo, esto es en parte debido a que los hemisferios cerebelosos laterales, que se cree que participan en la cognición (ver más abajo), son accesibles a la estimulación eléctrica transcraneal, son sensibles a los efectos de las corrientes de polarización, y porque el procedimiento es relativamente barato y fácil de realizar en los participantes humanos. El procedimiento de estimulación cerebral se describe en el presente artículo se muestra cómo los procesos cognitivos como la memoria de trabajo y la atención pueden ser facilitados durante las tareas que son "más" en lugar de "menos" cognitivamente exigente 1. El interpretarción de estos resultados de tareas específicas, están firmemente limitada por una comprensión de la fisiología de la vía cerebro-cerebelosa. Neuro-efectos de mejora, incluso cuando las tareas son difíciles, también se observan después de la estimulación eléctrica de la corteza prefrontal 2,3,4,5.
El cerebelo tiene un papel importante en la predicción, el calendario y la ejecución de los movimientos 6. Sin embargo, varias líneas de investigación sugieren ahora que el cerebelo puede influir en los procesos cognitivos. En el dominio anatómica, por ejemplo, numerosos estudios han sugerido que las conexiones recíprocas entre regiones de la corteza prefrontal y el cerebelo (es decir, la vía de cerebro-cerebelosa) podrían apoyar la cognición 7,8,9,10,11,12. En el ámbito clínico, algunos pacientes con daños en las partes específicas del cerebelo posterior se presentan con problemas intelectuales y emocionales cuyos síntomas se conceptualizan en la hipótesis de 'dismetría del pensamiento ", yclínicamente se denomina "síndrome cognitivo afectivo cerebeloso (CCAS), mientras que aquellos con daños en anteriores partes del cerebelo, se presentan con deficiencias motoras (por ejemplo, ataxia) y conceptualizado como" dismetría de movimiento '13,14,15. En el dominio de imagen cerebral, Schmahmann y colegas 16,17 han utilizado imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) y la conectividad funcional para mapear regiones de tareas específicas del cerebelo y las conexiones de estas zonas hará con el lóbulo prefrontal durante las tareas motoras y cognitivas.
Las tareas cognitivas presentados en este estudio se seleccionaron debido a que han sido previamente demostrado para activar denominadas regiones no motores del cerebelo. Pero también nos permitieron partición fuera del motor y componentes de tareas cognitivas, lo cual se logró mediante la variación del nivel de relación cognitiva a las demandas de motor que se requieren para llevar a cabo correctamente, y la intervención de un pr estimulación cerebralocedure que ha sido previamente demostrado que modulan las relaciones cerebro-conducta. Los recientes intentos para modular la función cerebral y el comportamiento han incluido el uso de corrientes de polarización de todo el cuero cabelludo, denominado, la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS). De hecho, los médicos han sido estimulantes de la corteza cerebelosa con electrodos implantados en poblaciones de pacientes desde los años 1970 con resultados alentadores terapéuticas 18. Hoy en día, la estimulación del cerebro a través del cuero cabelludo se realiza para ser útil para el estudio de las relaciones cerebro-conducta en los participantes sanos.
TDCS en humanos normalmente implica la entrega de un bajo (1-2 mA) de corriente continua (DC) de forma continua a través de un par de electrodos remojados en solución salina durante 15-20 min. Un montaje del electrodo típico para estimular el cerebro podría implicar una (anódico) electrodo se coloca en la cabeza (más de la región del cerebro de interés), y el otro (catódica) electrodo se coloca en la mejilla (cefálica) o el hombro (sin-n cefálica) en el lado contralateral del cuerpo. En el caso de estimular el cerebelo, el flujo de corriente intracerebral entre los dos electrodos tiene relativamente poca propagación funcional para las regiones cercanas (por ejemplo, la corteza visual 19) y se cree que excitar o deprimir las células de Purkinje en la corteza cerebelosa 20, produciendo tanto neurofisiológico y de comportamiento cambios. La propagación de la corriente y los efectos de cerebelo-tDCS en humanos se infiere de los datos de modelización o de estudios en animales, y de los efectos indirectos sobre la corteza motora. En el motor de dominio, los efectos también se demuestra que son de polaridad específica como lo demuestran las consecuencias de la estimulación del cerebelo en la excitabilidad de la corteza motora 20. Por ejemplo, la estimulación anódica generalmente tiene un efecto excitador y aumenta la producción de células de Purkinje; el aumento de la inhibición de la vía de facilitador de los núcleos cerebelares a la corteza cerebral, mientras que la estimulación catódica tiene generalmente un efe opuestoct es decir, la desinhibición de la corteza cerebral mediante la reducción de la inhibición de células de Purkinje de los núcleos cerebelares. Estudios anatómicos en primates revelan cómo las células de Purkinje podrían ejercer una unidad de facilitación en ambos circuitos cognitivos del motor y, a través de un relé sináptica en el tálamo ventral-lateral 21. Sin embargo, estudios recientes tDCS en humanos sugieren que la distinción anodal catódica puede no ser clara. Por ejemplo, los efectos después de la de tDCS más corteza motora son muy variables entre los individuos, y no siempre son de polaridad específica 22. Críticas similares también se aplican a resultados en el dominio cognitivo 23. Esto puede ayudar a explicar por qué los efectos sobre las funciones cognitivas son más difíciles de detectar y de interpretar que los efectos directos del cerebelo en las áreas motoras debido a la inhibición del cerebelo del cerebro (CBI 20). Estas observaciones ponen de relieve la necesidad de comprender mejor los factores individuales que determinan la eficacia de estim cerebroion, y para desarrollar protocolos mejorados para estimular el cerebro.
Los cambios en las funciones de ambos motores y cognitivos son fisiológicamente plausible, a través de la estimulación eléctrica de la vía cerebelo-tálamo-cortical 24. En cuanto a las funciones cognitivas, un efecto modulador del cerebelo-tDCS en la memoria de trabajo verbal ha informado 25,26. Y los efectos duraderos sobre la cognición de las regiones de la corteza prefrontal estimulante también se observan 2,3,4,5. Sin embargo, los efectos fisiológicos de la estimulación cerebral sobre las neuronas son diferentes dependiendo de si el comportamiento se prueba (efectos sobre la línea) durante o después (efectos fuera de línea) el periodo de estimulación 27. Se ha sugerido que los efectos en línea pueden incluir cambios en el medio ambiente intracelular (por ejemplo., Concentraciones de iones) y el gradiente electroquímico (por ejemplo, los potenciales de membrana), mientras que los efectos fuera de línea pueden incluir cambios de mayor duración en el activi neuralTy debido a procesos intracelulares alteradas (por ejemplo, la plasticidad receptor) 27. El presente estudio investiga los efectos fuera de línea, lo que se aplica tDCS en el intervalo entre dos sesiones de pruebas cognitivas y el comportamiento se compara entre las dos sesiones.
La investigación de un papel para el cerebelo en la cognición es asistido por el uso de las tareas que se han demostrado previamente para involucrar funcionamiento del cerebelo. Una tarea en particular implica un razonamiento aritmético y la atención dividida y se llama el ritmo personal Auditiva Adición de serie de tareas (PASAT 28). Se ha utilizado ampliamente para evaluar diversas funciones cognitivas en ambas poblaciones sanas y de pacientes. La prueba consiste típicamente participantes escuchan a los números presentados cada 3 s, y añadiendo el número que escuchan al número que escucharon antes (en lugar de dar un total acumulado). Es una tarea difícil e impone un alto grado de WM, la atención y la capacidad aritmética. También implica actividad en el cerebro y el cerebelo asociada a estos elementos particulares de la tarea como se revela en la PET y la RM 29 30. Para hacer la tarea más difícil y cognitivamente exigente attentionally (confirmado por otros en un estudio reciente 31, las instrucciones originales fueron cambiadas para que los participantes tenían que restar el número que escuchan de la cantidad que escucharon antes. Llamamos a esta nueva tarea la ritmo Auditory Serial resta de tareas (PASST 1), y es más difícil de realizar que la PASAT como se evidencia por las puntuaciones subjetivas de dificultad de la tarea y tiempos de reacción significativamente más largos 1. Ambas versiones de la tarea se incluyeron de manera que uno era más difícil y cognitivamente exigiendo attentionally de realizar que la otra, mientras que las demandas de motor (operaciones del habla encubierta) fueron comparables entre las tareas. Si el cerebelo está involucrada en la cognición, entonces perturbar su función con tDCS podría interferir con la función de este sESTRUCTURA durante la ejecución en el PASST, pero no necesariamente en el PASAT.
Otra tarea utilizado ampliamente para investigar un papel para el cerebelo durante aspectos del habla y lenguaje de la cognición es la generación de tareas Verbo (VGT 32,33,34,35,36,37). Al igual que el PASAT, se ha utilizado ampliamente para probar la memoria de trabajo verbal en poblaciones sanas y de pacientes. Básicamente, la VGT requiere participa decir en voz alta un verbo (por ejemplo, la unidad) en respuesta a un sustantivo presentado visualmente (por ejemplo, el coche), en comparación con el rendimiento en una tarea de control mediante el cual los participantes leyeron los nombres en voz alta. Generación de verbos y sustantivos de lectura tienen exigencias perceptivas y motoras similares, pero diferentes demandas WM verbal (es decir, mayor de análisis semántico). Y una mayor actividad en una red de cerebro-cerebelosa está asociado con la generación de los verbos en comparación con la lectura de los nombres 34,35,36. Las palabras también se generan más rápidamente (un efecto de cebado) cuando las tareas sonrepitió utilizando las mismas palabras (en orden aleatorio) a través de bloques, y aumenta la actividad de cerebro-cerebelosa como se observa en la PET y fMRI 33 37.
En este artículo, se describe un procedimiento para la aplicación tDCS sobre el cerebelo para investigar el papel de esta estructura cerebral en la cognición, junto con dos aritmética (experimento uno) y tres tareas lingüísticas (experimento dos) de diferente dificultad, que tres grupos separados de participantes realizaron antes y después del periodo de estimulación. La hipótesis, dado un papel para el cerebelo en la cognición, que el rendimiento en las tareas más exigentes (es decir, PASST y generación verbo) se verían afectados más por tDCS (efectos fuera de línea) que el rendimiento en las tareas menos exigentes (PASAT y sustantivo / lectura verbo).
Protocol
Representative Results
Discussion
TDCS se ha convertido en una herramienta popular en los últimos años para el estudio de las relaciones cerebro-conducta. El presente artículo describe un procedimiento para la investigación de las funciones cognitivas del cerebelo utilizando tDCS y varias pruebas de la aritmética y el lenguaje que requieren distintos grados de la memoria de trabajo y atención. Los resultados para el experimento mostraron una estimulación cómo catódica de la exactitud hemisferio cerebeloso derecho mejorado tarea y variabilidad de la respuesta verbal (en relación con anódico y estimulación simulada) durante una tarea de procesamiento de información difícil y cognitivamente exigente que implica la resta mental (la auditiva tarea sustracción serial ritmo [ PASST]), pero no durante una versión más simple y menos exigente que implica la adición mental (la tarea de serie auditivo ritmo Además [PASAT]). Desde ambas tareas comparten control similar del motor (es decir, operaciones verbales), pero la carga cognitiva diferente (es decir., Esfuerzo mental), especuló en nuestro estudio anterior1 que la depresión catódica de la corteza cerebelosa derecha podría liberar recursos cognitivos adicionales cuando demandas de la tarea son altos. Se esperaba catódica tDCS a hiperpolarizar el cerebelo, reducción de la producción de células de Purkinje, y reducir la inhibición del cerebelo del cerebro (CBI 20). Esta opinión es apoyada por el hallazgo de que la conectividad funcional entre el cerebelo y la corteza prefrontal (es decir, cerebelo-tálamo-cortical vía 10) durante la aritmética es tareas y dificultad-sensible 43. Los resultados del experimento no se puede explicar por un cambio en la contribución del cerebelo de control del motor, ya que éstos son comparables en el PASAT y el PASST, pero los procesos mentales necesarios para realizar la resta frente además son diferentes. Los resultados de este experimento sugieren que los efectos en lugar de cerebelar-tDCS sobre la cognición es probable task- o carga específica. En el experimento dos, la estimulación catódica también mejoró de forma selectiva la ejecución de tareas durante unprotocolo de lenguaje, de tal manera que las respuestas llegaron más rápido y fueron más consistentemente cronometrados más de cinco bloques consecutivos de ensayos en los que los participantes generaron verbos en respuesta a los nombres presentados visualmente. Este efecto priming complementa los resultados del experimento uno, así como los hallazgos de otros que muestran cómo tDCS anódico más de la corteza prefrontal dorsolateral izquierda (córtex prefrontal dorsolateral) puede mejorar la fluidez verbal y la imagen 40 latencias de denominación 41,44 – el apoyo a la hipótesis de que los mismos patrones de facilitación puede se observa después de tDCS catódica sobre el hemisferio cerebeloso derecho (como se observa en el experimento dos). Tomados en conjunto, estos resultados apoyan el papel de cerebelo – aunque indirecto – en el lenguaje, el aprendizaje y la memoria 45, dando más apoyo a la idea de que el cerebelo puede influir en los procesos cognitivos en la corteza prefrontal: un sitio importante para muchos la memoria de trabajo (WM ) para las operaciones.
Mejoras cognitivas are fisiológicamente plausible porque el cerebelo ejerce una influencia remota a través de la excitabilidad en el córtex prefrontal dorsolateral, a través de la excitación del cerebro – vía cerebelosa. Otra prueba de acoplamiento entre el cerebelo y la corteza prefrontal se describe en la obra de Hamada y sus colegas, en el que la plasticidad asociativa inducida por estímulos sensoriales / motor emparejados en 25 ms – emparejado estimulación asociativa (PAS), se observó a ser bloqueado por cerebellar- tDCS 46. Y sesiones diarias de la estimulación magnética transcraneal (TMS) en el cerebelo se ha demostrado mejorar el control postural y caminar, y la doble tarea en un paciente con atrofia cerebelosa 47. Estas mejoras motoras y cognitivas se caracterizaron por un aumento en los potenciales evocados motor inducidas por la estimulación cortical del motor cuando el cerebelo también se excita unos pocos milisegundos de antemano (investigados con doble bobina, TMS dos pulsos), debido a la inhibición del cerebelo del cerebro (reducida CBI) quedurado 6 meses después del tratamiento. Farzan y sus colegas 47 acreditan las mejoras en la función cognitiva a una consecuencia de la función motora mejorada y la liberación de los recursos para la ejecución de la doble tarea. La reducción de la CBI inducida por TMS también puede haber mejorado la función cortical prefrontal directamente, a través de emocionantes c erebro – circuitos del cerebelo – mejorar la capacidad cognitiva. Esta última explicación está de acuerdo con el observado utilizando los métodos descritos en el presente artículo que demuestran un procedimiento para mejorar selectivamente WM verbal después de cerebelar-tDCS.
Los métodos descritos aquí demuestran cómo la estimulación eléctrica del cerebro del cerebelo puede modular las funciones cognitivas y mejorar el rendimiento durante las tareas que requieren un alto nivel de carga cognitiva. Este hallazgo es paralelo a los efectos positivos de la estimulación del córtex prefrontal dorsolateral, que puede mejorar el rendimiento de la aritmética a través de largas duraciones 2 </sup>, y facilitar la generación de solución para los problemas difíciles, pero no para problemas fáciles 3. De hecho, más de tDCS corteza prefrontal pueden mejorar el rendimiento en una variedad de tareas cognitivas en participantes sanos de 4,5, llevando a los investigadores a emplear la estimulación eléctrica del cerebro como una herramienta terapéutica para el tratamiento de déficits cognitivos en pacientes después del accidente cerebrovascular 48, y en pacientes con enfermedad de Parkinson 41. De hecho, la orientación futura de tDCS incluyen su uso como una herramienta para modificar el comportamiento mediante la inducción de cambios duraderos en el cerebro. TDCS como una forma de terapia de estimulación cerebral vale la pena explorar en poblaciones de pacientes por razones obvias 24.
En este artículo, los pasos más críticos para el éxito de la modulación de la cognición mediante tDCS son: 1) la adaptación de tareas dificultad a nivel de rendimiento de los participantes; 2) la colocación consistente y precisa del electrodo de estimulación sobre la región del cerebro deseado; 3) la garantía de tsombrero de ambos electrodos se mantienen húmedos durante todo el periodo de estimulación para evitar que el estimulador de apagar (humedecidos con solución salina adicional si es necesario). También es importante tranquilizar a los participantes (la reducción de ansiedad) que las sensaciones se sintieron durante la estimulación desaparecerá después de unos segundos – se deja tDCS desapercibida. Las modificaciones futuras pueden incluir la administración de tDCS durante la ejecución de tareas (o por lo que se superpone con el comportamiento) para investigar los efectos en línea. Desempeño de tareas sería entonces compararse entre las condiciones activas y de referencia (es decir, anodal vs. farsa y / o catódica vs sham), en lugar de comparar el rendimiento antes y después del periodo de estimulación. La eficacia a largo plazo de la estimulación DC también vale la pena explorar desde la perspectiva de la utilización de tDCS para remediar los síntomas de la disfunción cognitiva, junto con los paradigmas que pueden producir efectos más robustos. Esto puede implicar protocolos que proporcionan una sucesión de períodos de estimulación cortos (en vez de un solo block), mediante el cual las sesiones posteriores de tDCS 'top-up' de los efectos de la sesión anterior. La entrega de múltiples sesiones de estimulación puede producir incrementos acumulativos en el rendimiento, más que cambios menores que se desarrollan más lentamente en una sola sesión. Retos como estos y también la orientación futura de la investigación clínica con tDCS han sido revisados por Brunoni y colegas 49.
El potencial de uso de tDCS como herramienta terapéutica para remediar los síntomas cognitivos de ciertas enfermedades sólo surgirá una vez que el procedimiento ha sido mejor comprendido y dominado. Por ejemplo, los efectos de la tDCS más corteza motora Recientemente se han encontrado para ser muy variable entre los individuos, y no siempre la polaridad específica 22,23. Lo mismo se ha dicho de los efectos de tDCS en el dominio cognitivo 23. Todavía hay una limitada acerca de los datos relativos a los efectos neuro-estimulantes de tDCS en general. Pero puede ser el caso ésimoen off-line efectos de tDCS más el cerebelo son más capaces de mejorar el comportamiento cuando los participantes tienen que comprometerse plenamente con una tarea cognitiva difícil, o cuando encuentran la tarea difícil de realizar, ya que resulta muy exigente por WM y recursos de atención. Este punto de vista sugiere que los efectos de cerebelar-tDCS sobre la cognición pueden ser task- o load- dependiente: quizás mediada por mejorar las funciones cognitivas en las partes de la vía de cerebro-cerebelosa que son activos durante la estimulación. Esta interpretación de nuestros datos paralelos así con la de efectos sobre la línea de tDCS sobre la cognición, que se cree actualmente que ser sensible al estado de la red activa durante el tiempo de estimulación 50. TDCS puede no dar lugar a cambios en el rendimiento si hay recursos cognitivos disponibles suficientes para realizar bien la tarea, pero sólo cuando el sistema está comprometido para que utilice más recursos. De hecho, los estudios de resonancia magnética funcional muestran cómo la actividad neuronal en una red frontal-parietal es posititivamente correlacionado con el aumento de la complejidad de tareas 51.
Para concluir, este artículo describe un procedimiento de estimulación cerebral que utiliza tDCS para estimular el cerebelo durante una serie de tareas de procesamiento de información con diferentes carga cognitiva, en la que catódica depresión de la actividad cerebelosa (y no anódica de excitación) mejora el rendimiento durante attentionally exigente y difícil tareas cognitivas. Especulamos si esto podría lograrse mediante la desinhibición de las regiones WM de la corteza prefrontal: liberar recursos cognitivos adicionales cuando ciertas tareas son difíciles de realizar. Una mejor comprensión de los factores individuales que determinan la eficacia de tDCS Ahora se requiere que se espera que surjan de un mayor estudio, junto con los protocolos mejorados para la entrega de la estimulación eléctrica del cerebro en poblaciones sanas y pacientes. Por lo tanto, los esfuerzos futuros pueden ser guiadas para remediar los síntomas cognitivos de ciertas enfermedades utilizando electr transcranealLa estimulación cerebral ical como herramienta de rehabilitación cognitiva para modular circuitos cerebro-cerebelosa.
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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