文摘
使用经颅电刺激(te)作为一个方法来增强神经活动越来越流行在过去十年半。te左前额叶皮层的特定应用程序已被证明产生广泛的认知效果;然而,这些影响的潜在神经机制仍然未知。在这项工作中,我们评估重复性测试工程师在脑灌注的影响。刺激应用于左前额叶皮层连续三天,休息和脑灌注量化刺激前后使用动脉自旋标记。灌注减少被发现在一个匹配假刺激组明显多于一组接受积极的刺激在大脑的许多领域。这些变化被发现起源于蓝斑,广泛分布在大脑皮层。大脑皮层的变化可能是一个刺激的直接结果或间接结果通过去系统产生的变化改变了蓝斑的活动。这些发现表明,阳极的左前额叶刺激改变蓝斑的活动,这活动可以激发去改变系统产生广泛的行为影响的报告。
1。介绍(AM)
经颅电刺激(te)经历了日益浓厚的兴趣在过去的15年里(1]。使用弱的应用测试工程师,恒流交付给头皮被称为经颅直流电刺激(tDCS) [2]。该方法提出了许多团体作为一个可行的过程刺激大脑神经活动增加(3- - - - - -7]。tDCS与阳极的特定的应用程序放置在左前额叶皮层被经常应用在文献中显而易见的行为效应在打击与警惕(相关的性能衰减8),降低疲劳对认知能力的影响(9,10),加速学习过程(2,3,11,12),提高多任务性能(13),和改善程序性记忆(14]。
克拉克et al。11马]实现2阳极的左前额叶tDCS在执行一个任务涉及threat-related对象的识别在自然的环境中。使用动态贝叶斯网络分析,他们表明,右额叶和顶叶皮层参与学习过程的识别任务。此外,他们报告说,接受违反马(2)tDCS表现明显优于接受电流的马(0.1)的一个刺激。麦金利et al。12)提供支持的发现克拉克和他的同事使用一个现实的视觉搜索任务植入合成孔径雷达图像。他们表示,参与者收到阳极的左前额叶tDCS达到增强视觉搜索精度相比提供虚假或不刺激。影响阳极的左前额叶tDCS也被观察到具有减少疲劳对认知能力的影响。用一群30参与者(10安慰剂口香糖,咖啡因与虚假的tDCS口香糖,马和10 2阳极的左前额叶与安慰剂tDCS口香糖),麦金太尔et al。9)进行精神运动警觉任务,延迟取样匹配工作记忆任务,和Mackworth时钟测试在30小时的连续的清醒。他们报告改进的延迟在工作记忆任务和更快的反应时间精神运动任务的组接受积极的tDCS和咖啡因口香糖与安慰剂相比整个睡眠周期。,这些发现为核心作用提供证据的前额叶皮层警觉,加速学习疲劳,和多任务性能,但表明tDCS可能用来维持性能水平环境要求小不需要休息或设置持续注意力的焦点。
尽管tDCS的广泛应用和特定于阳极的左前额叶刺激,tDCS的潜在神经机制并不清楚。有人建议,阳极的tDCS在大脑皮层兴奋性增加6)通过改变神经元膜电位(15]。支持这一理论的结果增强glutamatergic活动后的应用阳极的tDCS [2]。神经可塑性,大脑的能力形成和重组突触连接16),被认为是为了配合glutamatergic活动增加(2]正如tDCS的持久的行为影响(例如,9,10])和学习过程的加速度3,11,12]。然而,最近的证据表明,tDCS有些依赖的神经可塑性影响突触活动刺激(7]。
越来越多的方法为研究神经过程是通过测量脑灌注。的在活的有机体内量化脑灌注(称为脑血流量(CBF) mL / 100毫克/分钟)进行无创使用磁共振成像(MRI)通过一个动脉自旋标记(ASL)脉冲序列17,18]。美国手语是一个临床的方法已被用于识别早期病理生理改变阿尔茨海默病和其他疾病如痴呆(18,19]。基于血氧信号相比,CBF具有更好的可靠性和主体间的变化(20.]。此外,CBF直接负责交付的葡萄糖和氧。氧气和葡萄糖都需要维护三磷酸腺苷(ATP)生产和需要补充支持持续的神经活动。尽管CBF不是直接测量的神经活动,这是一个紧耦合的关联:CBF等神经活动的变化,发生在任务激活或改变代谢(21]。今年刚刚发表的证据表明,这种耦合是电:细胞外K+毛细血管内皮细胞激活然后信号上游小动脉的扩张(22]。K的浓度+在神经活动增加,从而信号增强血管舒张和支持毛细血管床的血流量增加。
休息CBF的研究阳极的左前额叶tDCS可能提供关键的见解glutamatergic活动增加与阳极的tDCS会表现为增强脑灌注。一些先前的研究已经使用美国手语tDCS评估神经的影响。在一些研究中,阳极的tDCS领导增加区域CBF的刺激下大脑组织的网站,在可靠和可重复的结果和主题之间。此外,传输效果中观察到的脑区功能连接到刺激网站(7]。重要的是,立即和持久的CBF的变化与阳极的左前额叶tDCS[有关23]。本研究的目的是加强我们对潜在的神经机制的理解与重复阳极的tDCS左前额叶皮层通过研究静息脑灌注。这项研究由阳极的左前额叶tDCS应用程序上执行相同的连续三天每天评估tDCS添加剂的影响。在这项工作中,我们目前的初步发现一个更大的,正在进行的研究。
2。材料和方法
2.1。参与者
共有28个健康,现役空军军事成员从赖特-帕特森空军基地招募自愿参与本研究。参与者被排除在参与,如果他们有任何神经或心理诊断;视觉,听觉,或运动控制障碍;最近的创伤或住院治疗。参与者也排除如果他们现在把任何药物可能影响认知功能或如果他们依赖酒精、咖啡因、尼古丁。书面知情同意之前就从每个参与者获得任何实验过程是空军研究实验室机构审查委员会批准的赖特-帕特森空军基地协议下FWR20130126H数量。(即参与者资格获得补偿。,if participation occurred in an off-duty status) received equal remuneration. Of the 28 participants recruited, eight were excluded due to medical disqualification ( ),不完整的数据或损坏的数据( ),或未能完成所有三个交易日连续三天( )。
参与者被随机分配到两组之一。两组接受相同的指令和执行相同的任务除了受到的刺激。在实验组(行动, 平均年龄为24.5±2.6)2马刺激提供了30分钟在对照组(案子, ,平均年龄= 25.9±3.2)虚假的刺激包括马2刺激30年代。每组参与者对模拟的有效性(即也不清楚。,没有意识到刺激条件)和幼稚的te(即。第一次收到的te)。
所有参与者完成三个实验会议连续三天。每个会话被24小时分开。会议在晚上进行,不与工作日的冲突也由于MRI的可用性。参与者完成了实验课程组的两个交错启动时间(见表1)。开始时间是一致的在三个交易日,平衡组织。
2.2。经颅直流电刺激
每三个交易日,阳极的刺激应用左前额叶皮层(约F3)阴极放在对侧的二头肌。在刺激期间,参与者完成了30分钟实验室警觉任务(24]。电刺激(Whitland MagStim DC刺激器,MagStim有限公司,英国)交付一个常数2马通过五个定制Na /生理盐水环电极。电极被安排在1.6厘米半径圆和由0.1厘米(外缘外缘)。使用相同的环配置在阴极的位置。马2的刺激是均匀分布在五个电极。刺激器电池驱动,利用多级当前监控确保交付给阳极恒流水平。每个电极放置在一个小“杯”,保护参与者使用医疗绷带。电极杯充满了高导电凝胶(SignaGel,帕克实验室、费尔菲尔德、新泽西),以确保当前转移到头皮。
2.3。MRI收购
在每个会话,MRI数据收购之前,大约0.5小时后tDCS的应用。MRI收购包括以下序列:一个12分钟静息状态功能磁共振成像(fMRI),三个10分钟任务fMRI, t1加权磁共振成像、弥散张量成像(DTI),核磁共振光谱(夫人),和美国手语。作为这项工作的一部分,正在进行的研究中,我们将只提供休息手语数据在这工作。然而,重要的是要讨论的三个任务fmri参与者完成了双(口头和空间)到任务。这个任务是在一辆货车车厢进行设计与48年代和任务控制块,每个都有16-3年代试验。在每个试验中,一封是显示在一个3×3网格为500 ms。参与者被要求提供一个响应,如果当前字母是一样的th先前的信,如果当前信提出了和另一个反应是在相同的位置在一个3×3网格以前的信。控制块,这封信被替换为一个点,参与者被要求提供一个反应如果网格的点是在右边,另一个用于左边。第一,被设置为2。第二运行性能的确定第一次运行(如果性能是90以上,增加;如果低于70,递减;否则,保持不变)从第二和第三。
结构(t1)使用3 d图像获得大脑成像(喝彩)脉冲序列使用倒置复苏准备快被宠坏的梯度回波(FSPGR)。结构图像获得使用256×256元素矩阵,172片面向前连合- (AC)后连合(PC)飞机,1毫米3各向同性体素,0.8阶段的视野因素,反转时间(TI) = 450毫秒,TE = 3.224毫秒,翻转13°角,笛卡尔的autocalibrated重建采样阶段加速因子为1.0第一次会议为2.0,所有剩余的会话。所有进行了核磁共振成像过程在3特斯拉(T) MRI(发现750 w,通用电气医疗集团,麦迪逊,WI)使用24-channel头线圈。
脑灌注图像,大约20分钟tDCS的应用之前,大约1.5小时结束后使用pseudocontinuous刺激动脉自旋标记(pcASL)技术(25]与反演(标签)不如立即进行脉冲成像体积。面向所有图片都是获得真正的轴向(垂直于扫描孔)使用postlabel 2025毫秒的延迟时间(骑士)。五个背景抑制脉冲应用于减少固定组织的信号(26- - - - - -28),提高信噪比(信噪比)的动脉血液。工程师协会3 d快速自旋回波(3 d)序列用于收购体积成像。减少运动灵敏度,提高收购时间,减少敏感性工件,stack-of-spirals读出梯度的中心开始k-space使用(29日]。总共有8个旋臂用于k-space抽样。回声在128×128 rebinned笛卡尔空间矩阵,TR = 4640毫秒,TE = 10.7毫秒,体素的大小= 1.875×1.875毫米,切片厚度= 4毫米,翻转角度= 111°。获得序列共有3标签/控制对。总收购时间是4分钟46。在扫描过程中,受试者被要求保持清醒,专注于一个固定的点在显示。这种情况表明显著更大的可靠性在静息状态功能磁共振成像在所有网络连接,以及在静息状态,关注,和听觉网络相比,睁大眼睛(没有指定固定)和封闭方法(30.]。
2.4。数据处理和分析
从美国手语脑灌注量化。CBF地图在通用电气的自动计算功能重建的软件。首先,3标记和3控制卷平均(没有运动校正)。然后,不同图像计算所有参与者通过减去平均标记的体积平均控制体积。最后,定量CBF地图图像产生的差异,相关的质子密度——(PD)加权卷,和一个标准的单室模型31日- - - - - -33]。
每天和会话的CBF地图从核磁共振成像扫描仪和出口加工使用FMRIB软件库(目前)34,35在核心岩石集群分布(74 -http://www.rocksclusters.org高性能计算系统能够运行120个线程并行(见图1例如,CBF地图)。首先,PD-weighted图像获得注册个人的高分辨率结构图像中估计运动从boundary-based注册方法包括fieldmap-based失真校正(36]。然后,个人的高分辨率结构图像注册mni - 152 t1 2毫米目前提供的模板(37,38)使用参模型(39,40]。为了coregister所有卷,CBF映射被转换为标准的空间使用的转换负责变形PD-weighted形象每个数据集的结构图像和模板的结构图像。
(一)
(b)
(c)
(d)
接下来,集团非参数统计分析进行会话1 prestimulation和会话3 poststimulation coregistered CBF地图voxelwise的方式。由于我们混合模式设计和如何需要交换的数据,一个方差分析(方差分析)是不可能使用这种方法。相反,两个单独的分析。首先,为每个组分别进行了分析评估的影响。这种分析确定统计学意义差异的CBF(评估灌注增加会话1 prestimulation会话3 poststimulation)使用排列测试中实现目前的随机选择41,42]。零分布的对比代表的主要效应推导出会话执行500000个随机排列的数据(43]。最后一个数据被确定为每个立体像素计算的概率超过了统计从已知的安排。分析后,我们实现了一个聚类方法为假阳性由于多重比较(44]。该方法考虑相邻像素点的统计1.96或更高版本的一个集群。每个集群的意义估计和比较一个阈值 使用高斯随机场理论。体素的意义,没有通过显著性水平阈值或不属于集群设置为零。
第二个分析评估集团和会话的交互使用一个未配对的方法。这种分析之前,CBF的变化之间的会话1 prestimulation和会话3 poststimulation coregistered CBF图计算在个体水平。然后,CBF的统计学意义差异之间的会议和集团决心使用排列测试中实现目前的随机选择。零分布的对比代表推导出会话的交互和组执行500000个随机排列。上述聚类方法实现假阳性的原因由于多重比较。
3所示。结果与讨论
成对排列测试显示一些小集群显著增加休息CBF造成重复2马刺激左前额叶皮层(表2,图2)。局部增加CBF观察脑干和小脑包括几个地区的黑质(SN)。皮质,双边CBF的变化观察中间额,额上,伪劣额叶脑回。边音的皮质的变化观察正确的直肠回和楔前叶supramarginal回左边,近中心小叶,海马旁回、丘脑、尾状,后扣带皮层(PCC)。然而,大多数的皮质效果出现在白质。
(一)
(b)
行动组相比,成对排列测试执行组收到重复的假刺激识别显著降低CBF休息(表3,图3)。这包括大型集群包含多个大脑皮质下区域。这也由一个双边的减少额上回。此外,边音的皮质减少观察正确的额中回、额下回、中央前回、颞上回,丘脑,壳核和左楔片,楔前叶、扣带回、梭状回、颞中回、额内侧回。
(一)
(b)
未成对排列测试分析了不同休息CBF从会话1 prestimulation会话3 poststimulation之间的行为和反对团体。这分析显示一个整体大很多休息CBF减少诈骗集团(表4和5)。这包括大型集群包含多个皮层下和皮质的大脑区域。这个集群被确定为梭状回表4但还包括预测开始在蓝斑(LC)和通过SN和PCC投射。这也由局部集群跨多个皮质区域。CBF双边额上回被发现增加行动组但减少诈骗集团。这些影响也出现在right-lateralized区域:额,额叶脑回。Left-lateralized集群的中央前回和梭状回和right-lateralized集群在中央前回、丘脑,和硬膜明显下降灌注CON组,但无显著变化被观察到具有这样的行为。相反的是观察左顶叶小叶。
系统组厚度的变化或在灰质萎缩和/或不同gyrification模式是合理的,并有可能导致部分或全部的影响。评估组织之间的解剖变异的可能性,我们进行了分布形态测量学(VBM)调查voxelwise局部灰质体积的差异和/或地形。这种分析利用brain-extracted结构图像首先产生一个模板。为了不偏见对一组模板,2随机受试者从行动组并不包括在此步骤以确保同等数量的样本代表每组。brain-extracted图像自动分割成灰质,affine-registered大脑灰质国际财团的映射(洲际弹道导弹)152模板(38),连接,和平均。平均图像翻转沿x设在,镜像了。灰质图像使用非线性登记,再对准平均模板连接,平均,和翻转x设在。最后一个对称的灰质模板是由平均的镜像非线性登记。接下来,灰质模板创建的所有受试者灰质和非线性注册自定义模板。灰质变化补偿由于介绍了非线性变换的雅可比矩阵变形场(45]。所有注册的灰质体积空间使用高斯平滑内核(σ= 4毫米)。最后,一个未配对以及进行比较灰质在组卷使用排列(排列数= 500000)方法在目前执行随机选择。threshold-free集群增强方法是利用正确的多重比较。没有明显的结果中观察到这种分析表明不同厚度或灰质萎缩和gyrification模式之间存在组。此外,这表明这些解剖变化不可能观测到的灌注变化引起的。
未成对排列分析代表会话和组和之间的交互,因此,揭示了影响脑灌注归因于阳极的左前额叶tDCS的应用。脑灌注测量从美国手语是代谢过程的关联21]。一般来说,小焦增加灌注组中发现收到马2阳极的左前额叶tDCS跨连续3天而普遍减少观察组接受假刺激。在复发性tDCS这意味着新陈代谢是一致的,减少代谢与虚假的刺激有关。
我们的研究人群仅限于现役军事成员,研究在晚上被处决后典型的工作日,虽然我们没有测量或控制睡眠/唤醒。经过连续三天的学习中参与表1,只有合理的,参与者将会出现疲劳的症状。低灌注测量从美国手语一直在观察和详细的慢性疲劳综合症患者(46- - - - - -48和与健康个体认知疲劳有关49]。此外,代谢减退已观察到在慢性疲劳综合症患者50和多发性硬化症与疲劳51]。结果从我们CON组符合这个假定,这些先前的发现;然而,我们的行动小组的结果并非如此。我们推测,左前额叶tDCS提供了一些神经机制抵消这种神经疲劳的效果。行为,左前额叶tDCS已经被证明可以减少在一个类似的组织与疲劳相关的认知能力下降的现役军事成员在一个扩展的清醒研究[9]。阳极的tDCS应用于运动皮层也被证明有从多发性硬化症患者的疲劳行为的影响52]。然而,没有研究已经评估了神经tDCS对疲劳的影响。
改变灌注在这工作可以追溯到LC。信用证是众所周知的在大脑中最大的去核。去系统负责合成、储存和释放去甲肾上腺素。虽然信用证相对较小,但它对大脑皮层是去甲肾上腺素的主要来源。预测LC的多样化,支配大多数的中枢神经系统(53]。去甲肾上腺素是一种神经递质与觉醒和警觉性增加有关46- - - - - -48),提高长期工作记忆过程(54),并促进警惕和感官处理(55]。这项工作中提供的证据表明,重复2马tDCS应用左前额叶皮层的代谢活动支撑LC(图4),这可能会导致增加去甲肾上腺素的生产和减少疲劳的效果。在这工作,收集测量休息灌注大约1.5小时后刺激的结论。因此,这种影响仍然后刺激;然而,尚不清楚这种效应持续多久。以前的睡眠剥夺研究利用阳极的左前额叶tDCS观察单一会话行为效果,持续几个小时9,10]。这样的影响和当前研究可能来源于去系统的激活。
注意涉及自顶向下和自底向上调制。不由自主在自下而上的调制,突出刺激抓住注意力的同时,自上而下的调制可以直接关注以及抑制自下而上的过程。自愿的能力(即直接关注。,attentional control) varies significantly and substantially across individuals [56]。自上而下的调制的关注涉及各种各样的大脑区域包括额中回、ACC和顶叶小叶。每个这些地区被发现有增强灌注后重复2马阳极的tDCS左前额叶皮层(图5),增加注意力控制的暗示。
对象可分为基于观察的物理性质,如形状、颜色和纹理。语义记忆,一生积累的一般知识,可以帮助分类过程。梭状回是理论很大程度上有助于流程涉及语义记忆(57]。大增加灌注在枕叶皮质区,包括梭状回(图6),是暗示增强利用语义过程,增加了语义记忆,识别对象和/或提高能力。
4所示。结论
这项研究检查重复的tDCS在脑灌注的影响。阳极的左前额叶tDCS用于2马的头皮申请30分钟连续三天。静息脑灌注措施刺激之前和之后获得在每天使用美国手语。普遍增加灌注,表明增加新陈代谢,观察;然而,一般减少观察组接受假tDCS匹配。此外,灌注显著增加更多的积极刺激组在大脑的许多领域。这些增加起源于LC和广泛传播的皮层区域支持对象识别和自上而下的注意力调制等功能。大脑皮层的变化可能是一个刺激的直接结果或间接结果通过去系统产生的变化改变了LC活动。这些发现有助于理解已经演示了使用广泛的行为影响阳极的左前额tDCS。未来的工作需要确定如果灌注的观察到的变化与代谢改变但也应该解决这些影响的稍纵即逝。
数据可用性
这个项目是由国防部合同,公开发布的数据是不可用的。
信息披露
这里只属于作者表达的观点。他们不代表,不应被视为被国防部或支持的联邦政府的或任何其他分支。美国政府授权的复制和分发再版出于政府目的尽管任何版权符号。自愿的,完全用于本研究受试者的知情同意是根据获得的32 CFR 210和3216.02多迪_afi 40 - 402。
的利益冲突
马修·舍伍德收到赔偿这通过DCS作为顾问公司工作,也是受雇于莱特州立大学。舍伍德博士是一个无薪的角色作为亚伦Madaris莱特州立大学论文委员会。亚伦Madaris收到赔偿这项工作通过DCS公司实习也是莱特州立大学的一个学生。所有其他作者声明没有利益冲突。
确认
这项工作是由美国空军研究实验室(AFRL)人机界面和研究技术项目(合同fa8650 - 14 d - 6500)。