不影响阳极的tDCS言语情景记忆性能和神经递质水平在年轻人和老年人的参与者

文摘

健康老龄化是伴随着认知能力下降,影响尤其是情景记忆的过程。研究表明,阳极的经颅直流电刺激(tDCS)左背外侧前额叶皮层(DLPFC)可能抵消这种认知恶化通过增加兴奋性和诱导神经可塑性的有针对性的皮层区域。而刺激获得更一致的初始低表演者,单纯依赖行为措施来预测治疗的好处不满足一个可靠的实现这个方法的治疗选择。因此,探索潜在的神经生理学机制对于微分刺激效应是必要的。Glutamatergic代谢物(Glx)和γ酸氨基丁酸(GABA)是参与学习和记忆过程,可以使用tDCS的影响;所以,他们把自己看成是潜在生物标志物tDCS-induced行为收益,是隶属于神经可塑性的过程。在目前的随机、双盲、交叉研究中,33名健康的年轻和22日假对照老年参与者收到了阳极的tDCS的左DLPFC在编码阶段的语言情景记忆任务。使用MEGA-PRESS编辑磁共振光谱学(夫人),Glx和GABA水平测定在左DLPFC刺激前后的时期。进一步,我们测试是否基线性能和神经递质水平预测随后的收益。没有有益的团体的影响tDCS出现在语言检索性能或神经递质浓度。此外,基线性能水平并未预测电极刺激诱发的认知,也没有Glx或GABA水平。然而,探索性分析建议的预测价值Glx: GABA比率,比率较低的基线指示大tDCS-related收益延迟回忆的性能。这强调了进一步研究调查的重要性之前观察到电极刺激诱发的神经生理学机制认知利益和各自的个人间的异质性。

1。介绍

是否你需要记住你锁定你的自行车的地方,当你最后一次叫你姐姐,还是你已经涌过去的你最喜欢的电视节目,你的同事,情景记忆、认知功能与一个特定的上下文(连接信息1),对我们的日常生活密切相关。它也是第一个认知功能影响认知能力下降在健康和病态老化;所以,抵抗的治疗干预措施是在高需求。考虑到他们参与情景记忆的编码和检索内容(2,3),背外侧前额叶皮层(DLPFC)把自己看成是可行的干预措施的目标。其中,经颅直流电刺激(tDCS)调节神经元的兴奋性刺激大脑皮层区域诱导膜电位的变化。Polarity-dependent tDCS效应主要归因于soma的神经元的分化径向对齐的皮质表面(4,5]。体细胞两极化导致兴奋性的增加而体细胞hyperpolarisation结果在减少兴奋性细胞或多或少可能火动作电位(6]。实际上,针对DLPFC tDCS曾在各种情景记忆范式在健康促进行为表现年轻(7- - - - - -10和健康的老年人11,12),个人主观记忆投诉(13),和诊断轻度认知障碍患者14]。尽管报道重大电极刺激诱发的好处由单一的研究,最近的一次系统的荟萃分析证实缺乏明确的研究结果tDCS的情景记忆领域,报告整体尺寸(无意义的影响可以忽略不计15]。部分研究结果之间的差异可以归因于不同的实验设计(如电极参数、刺激强度、持续时间、和行为任务)。然而,放弃的想法一致可靠组效果,少量的研究还揭示了一个共同的因素,多次与更同质的结果,即初始低性能的测试任务和抵押品改进的余地。无关紧要的这个因素是否出现在次优条件执行任务(例如,在早晨为年轻参与者(16任务难度较大),(17),或一个内在认知能力下降在健康年轻18和老年人11,19]。尽管尺度效应似乎是一般大健康(20.和认知能力受损的老人21),这种刺激的可靠的临床应用技术是没有必要的。行为,而不是调用低性能作为后续标记获得刺激下,潜在的神经生理学刺激的影响,最终导致观察到的行为的改善需要调查。

采用MEGA-PRESS-edited磁共振光谱学(夫人),量化的非侵入性技术,使脑部代谢物,多项研究表明,除了唯一的tDCS的认知影响,刺激也会影响γ酸氨基丁酸(GABA)和glutamatergic代谢物(Glx),最丰富的抑制和兴奋性神经递质在大脑中,分别。符合神经递质变化观察到在学习和记忆(22- - - - - -24),应用阳极的tDCS导致显著减少GABA在感觉运动区(25)以及初级运动皮层(26- - - - - -29日),强调其潜在生产皮质神经可塑性变化。此外,GABA水平的减少也与运动技能学习的数量(26,28]。相反,阳极的tDCS导致增加glutamatergic语气顶叶区域(30.,31日]。综上所述,这个去抑制,即。,an elevated excitation-inhibition (E/I) ratio, supposedly facilitates the induction of long-term potentiation and thus allows for lasting effects beyond the period of online stimulation [32]。

前额叶区域,然而,证据之间的关系tDCS-induced神经生理学和行为变化仍然是稀缺的,不能认为是证明。相反,考虑到不同的微观结构和物理特性的神经元在大脑不同区域33),大脑刺激协议的有效性在大脑皮层区域可以质疑,并单独为每个皮质目标剂量滴定是必要的。为了缩小这种差距,在这里,我们测试了先前发现的可转让性的初级运动皮层DLPFC,适应任务,电极设置,并相应地立体像素的位置,。

基于我们之前的行为研究的结果(18),只有最初表现低获利阳极的tDCS虚假的刺激相比,我们旨在复制这个微分效应的刺激条件健康的年轻人和老年人,其中后者是在选择记忆范式中表现更糟。为了减少个人间变异性的影响,我们从平行小组研究转向交叉设计。仔细看看tDCS-induced认知的神经生理学基础改进,我们扩展频谱夫人收购行为评估,特别关注GABA和Glx DLPFC左边。模拟神经递质变化报道在M1,我们假设,阳极的tDCS将导致减少GABA和海拔Glx,在对应的皮层兴奋性增加所描述的excitation-inhibition (E / I)比例。此外,我们预计,神经递质水平的变化与任何行为收益。此外,我们还对基线是否神经递质水平预测随后的神经递质和行为变化,可以举出作为stimulation-related获得生物标志物。

2。方法

2.1。参与者

筛选后56资格51年轻人和老年人,33岁健康的年轻( 年( ),范围:20 - 30年,20个女性)和22名健康老年人(年龄 年( ),范围:60 - 74岁,女性11日)参与者履行了全部入选标准,参与研究(表1;概述,请参阅S1)。参与者被右手(根据爱丁堡偏手性库存,EDI; ;(34),以德语为母语或拥有语文智力水平相当的(通过德国词汇测试评估WST [35),不吸烟,或corrected-to-normal视力正常,没有历史的精神或神经系统疾病。同样,参与者有关抑郁症状(根据贝克抑郁量表二世 ;(36)被排除在研究之外。健康的老年人需要 在蒙特利尔认知评估(美国华人博物馆;(37)参与研究。参与者符合所有当地tDCS和MRI(即安全标准。,no history of epileptic seizures, skin diseases, and/or magnetizable metal implants). Participants gave written informed consent prior to their participation in the study and were reimbursed with 100 CHF upon completion of all three sessions. The study was approved by the cantonal ethics commission of Bern (reference number: 2016-02175), registered at clinicaltrials.gov (identifier:NCT03227185),并符合《赫尔辛基宣言》。

2.2。研究过程

在这个双盲,假对照,交叉研究中,参与者接受了三个交易日(图在不同天1(一))。为了避免变化引入的昼夜节律,会话将被限制在早上时间和为每个会话参与者进来可比的时候。在基线的会议中,与会代表自己熟悉的语言学习任务,包括三个阶段,即编码,保留和检索。以下两个研究,参与者执行相同的任务用不同的单词。编码阶段发生在3 t西门子MAGNETOM棱镜核磁共振成像扫描仪,参与者收到了阳极的tDCS DLPFC离开。夫人数据收购之前和之后的编码阶段。延迟检索,包括自由回忆和识别部分,核磁共振成像扫描仪以外的发生。整合后的夜晚,另一个延迟回忆在电话里进行。先生的会议是由至少一个星期,避免遗留的影响刺激。

控制成功致盲,参与者被要求表明刺激条件下他们认为年底收到相应的会话。此外,参与者完成了副作用问卷(38]。

2.3。情景记忆范式

每个会话的编码阶段,40种不同mono -和双音节的具体名词从10个不同的类别,选择4字(39,40]。类别会话之间没有重叠,总共有120个单词中使用编码。在研究天,字平衡关于长度,价,兴奋,和频率。先生为每个会话,一个额外的40个单词(总共80人,他们中没有人在编码阶段用于任何会话),其中一半是来自相同的类别编码字(类似的),而另一半是与先前呈现单词(不同的),被随机混合的识别任务。单词的数量是按照以前的行为研究[18)在没有上限的效果出现。

语言情景记忆任务计算机和E-Prime 3.0编程软件(心理学软件工具,宾夕法尼亚州匹兹堡;图1 (b))。文字编码,呈现在屏幕上以随机的顺序在一个黑色背景白色在三个连续的块。每个单词每个块只发生一次。启动后固定,每个单词是1 s显示。interstimulus间隔的持续时间,在此期间,一个固定交叉仍然在屏幕上,之间的种种1和6 s ( )。参与者被要求记住了单词的最佳能力。每一块后,参与者被提示立即召回记忆单词2分钟。被记录在单独的音频文件的响应。保留阶段持续了~ 30分钟,在此期间担任tDCS光谱是先生和外面的tDCS下马的扫描仪。在检索阶段,参与者执行免费延迟回忆。免费延迟回忆的性能评估的记住单词。回忆的时机的话,然而,没有记录。先生会话期间,参与者也完成识别任务之外的扫描仪。在那里,他们被要求显示通过一个按钮按下之前提出词是否显示在编码阶段(即。是一个错误选择)。识别性能评估的灵敏度指标和中值的反应时间。

2.4。tDCS

在核磁共振成像扫描仪中两个交易日期间,参与者收到虚假或阳极的tDCS的随机、秩序频传。确保实验者的致盲和研究参与者,DC-Stimulator奥(图,能够组织GmbH德国)设置为“学习模式”,让其操作与盲码(由反恐组的统计学家伯尔尼分配)的两个条件。它发表1 mA电流大脑使用一双橡胶电极( ),这满是脑电图凝胶。阳极是集中在F3电极放置的位置对应10-20-EEG系统(41)目标左侧DLPFC(图1 (c))。阴极是放置在侧眼眶上的区域(上图右眉毛)。真正的阳极的tDCS,当前是增加15年代,在1 mA 20分钟保持不变,增加了15秒。在虚假的情况下,使用相同的增加和下降过程中活跃的一个,目前只有1 mA 30 s保持不变。这个过程引发同样的瘙痒发生之初更持久的刺激,从而确保最好的致盲的参与者42]。刺激开始5分钟前第一个编码块允许tDCS的累积影响大脑皮层兴奋性所显示先前的研究[43]。

2.5。MRI /数据采集夫人

数据获得在3 t先生西门子磁共振扫描器(MAGNETOM棱镜,西门子,埃朗根,德国)使用20-channel头线圈。记录侦察图像后,高分辨率解剖t1影像与magnetization-prepared收购获得梯度回波(MPRAGE)序列(160片, 毫米矩阵,1.0毫米各向同性的决议, , , ,和 )。夫人数据获得使用序列来自svs_se序列(MEGA-PRESS序列(工作包,在制品859 g),西门子(Siemens); , , 体素,平均208, )。体素是手动定位在左DLPFC,覆盖额中回(图1 (d))。外侧面对齐到头部的曲率,包含尽可能多的灰质,而不包括脑膜。夫人数据获得之前和之后(前后分别)刺激期间,正值编码阶段的认知任务。电极的存在对匀场或其他文物没有明显的负面影响。

2.6。夫人分析

分析与jMRUI软件包(44),使用spectrIm插件[45]。

除水后,夫人信号平滑3赫兹洛伦兹过滤和抵消在频域校正。光谱是量化使用TDFDFit算法(46),这是一个迭代的非线性最小二乘拟合的算法。两个TDFDFit量化模型定义(假设沃伊特线形状)量化nonedited光谱和差光谱进行编辑。

nonedited模型( )包含一组基础包括,除了残留水的典范,胆碱、肌酸、谷氨酸、谷氨酰胺、N-acetylaspartate (NAA)和乳酸。最大的先验知识是实施以最小化Cramer-Rao最小方差。后者意味着NAA,所有5参数(即。,peak area, frequency shift, Lorentzian width constant, zero order phase, and Gaussian width constant) were fitted, while for the remaining metabolites, the relative frequency shifts and Lorentzian/Gaussian line width parameters were assumed to be fixed relative to NAA. From this fit, the total creatine (tCr) signal was used for further quantitative analysis. The spectra were fitted in the 1.0–5.1 ppm offset range. The edited difference spectrum was fitted using a model that consisted of a basis set containing experimental patterns for GABA, glutamate, and glutamine, which were obtained by measuring phantom solutions of the metabolites. Prior knowledge was applied such that for the glutamate pattern, all 5 parameters were fitted; for glutamine, only the peak area parameter was fitted; and for GABA, the frequency shift was fixed towards glutamate. In order to account for the residual creatine signal present at 3 ppm, the Cr-CH3 singlet was also part of the model. GABA and Glx values (i.e., the combined measure of glutamate and glutamine) were obtained from this edited difference spectrum type. The offset range 1.9–5.1 ppm was selectively fitted (Figure1 (e))。

配合质量(FQN)确定数量46,47)之间的比例之和最小二乘和信号的噪声的方差。其中 表明一个理想的健康, 代表过度拟合, 表明非理想的健康。数据与一个贫穷的光谱(如果符合质量 nonedited光谱和 对不同光谱)被排除在外(年轻: ,老人: ;S1)。由于coediting, GABA信号包含了大分子基线;所以,从今以后称为GABA +。

灰质(GM)的比例,白质(WM)和脑脊液(CSF)在体素量化通过内部编写的自动分割工具,基于像素值的t1加权MPRAGE扫描。建议由哈里斯和他的同事们(48],GABA +山峰纠正了通用和WM,假设GABA的浓度在WM一半的GABA在通用的浓度。山峰glutamatergic代谢物纠正了通用汽车的比例在体素,而tCr山峰纠正了体素内的脑组织的总量。GABA +和glutamatergic值进一步报道作为细胞的比率,即。GABA +:识别和Glx:识别。

2.7。统计分析

数据集的一个年轻,一个年老的参与者,他们停止参与这项研究,今后被排除在进一步分析。此外,技术问题的演讲词和记录的响应,以及过早中断夫人收购,导致不完整的行为(年轻: ,老人: )杨夫人和数据集(: ,老人: ),被排除在各自subanalyses (S1)。

我们进行了单独的分析对于年轻和老年人口由于预期不同大小和不同性能的影响程度。然而,增加我们的力量测试,我们探究的汇集所有参与者的额外分析包括年龄组(年轻和老年人)作为分类变量的控制。按照审稿人的建议,我们测试了性别的刺激效应的贡献包括这个变量的协变量各自的方差分析。这并没有改变任何的结果,我们只报告结果的简单模型。所有统计分析进行了MATLAB(版本R2018a MathWorks公司,纳蒂克,麻萨诸塞州,美国),除了适度的分析,进行SPSS(25.0版本,IBM公司,阿蒙克,纽约,美国)。情节是常态(图检查检查S2),α水平的 表示统计学意义。

2.7.1。情景记忆范式

测试整体刺激效应立即自由回忆,我们使用 重复测量方差分析记忆单词的数量与刺激(真实与虚假的)和检索(立即检索1 - 3)作为受试的因素。进一步,我们测试了tDCS-induced认知利益延迟回忆说,使用 重复测量方差分析记忆单词的数量与刺激(真实与虚假的)和检索(延迟回忆1 - 2)作为受试的因素。

基于在我们先前的研究结果(18),我们进行适度分析测试基线情景记忆任务的表现是否会影响tDCS-related收益在自由会话先生口头回忆。由于切换到交叉设计,而不是以前使用的平行研究设计,在这里,非文字记忆的基线评估性能是完全不受刺激最初接触的任务。此外,改变设计也允许我们使用相应的回忆在研究天,关注性能延迟回忆1。适度的分析,我们应用SPSS更宏观(2.0版)(49)与刺激(真实与虚假的)焦点预测,在延迟回忆记得单词1基线作为调节变量,在延迟回忆和记忆单词1先生在会议结果变量。

测试培训影响立即回忆说,我们进行了分离 重复测量方差分析记忆单词的数量和条件(基线,虚假和真实的)和检索(立即检索1 - 3)作为受试的因素。同样,我们测试培训影响延迟回忆1通过单向方差分析三组(基线,虚假和真实)。

识别任务是测试的数据组差异的敏感性指数以及正确的平均反应时间反应通过魏克森讯号等级测试。额外的探索性魏克森讯号等级测试反应时间进行正确的反应相似和不同的错误选择的单词。

2.7.2。神经递质措施

比较的变化峰值区域,夫人GABA +: tCr, Glx: tCr, E /我比率(计算的比率Glx: GABA + tCr: tCr)受到 重复测量方差分析与刺激(真实与虚假的)和时间(之前和之后)主客体因素,年轻的和年长的参与者。

额外的 - - - - - -测试执行的百分比变化的GABA +:识别和Glx:细胞水平以及E /我比率取决于刺激条件。

2.7.3。神经递质水平和记忆性能之间的关系

探索情景记忆性能和neurometabolites之间的关系,我们进行了+ GABA水平之间的相关性分析:识别,Glx:识别和E /我比之前tDCS以及各自的比例变化和词语回忆延迟回忆1单独为每个刺激条件以及汇集在条件。Bonferroni-Holm方法(50)是应用于正确的18多个比较在每个年龄段以及数据集中在人口。

进一步,我们测试了神经递质水平的预测价值测量刺激对后续tDCS-related认知收益前,应用SPSS过程宏观(2.16版本,51])。单独的适度与GABA +进行了分析:识别,Glx: tCr, E /我比率作为调节变量。在这些分析,刺激(真实与虚假的)输入焦点预测和记忆单词延迟回忆1作为结果变量。

3所示。结果

年轻和老年参与者以及实验者被致盲(所有刺激条件 )。副作用的力量(概述,请参阅S3)之间没有显著差异(所有刺激条件 )除了头皮疼痛( )。然而,报告头皮疼痛并不是与刺激的正确识别相关条件( )。

3.1。情景记忆范式

无论是年轻的( , )和老人( , )参与者表现出主要刺激效果在3直接检索,但只有重要的检索主要影响轮(年轻: , ,老人: , ,图2)。同样,没有刺激效应出现年轻( , )或老年( , )两个延迟回忆说。另外,年轻的( , )但不是老人( , )显示一个重要检索主要影响,延迟回忆1中更好的性能。

包括基线性能延迟回忆1的主持人tDCS-induced性能先生在会议没有产生重大转变点的两个研究群体。额外的 重复测量方差分析立即召回所有三个研究会议透露一个重要条件的主要影响年轻( , )和老人( , )参与者是由会话先生的改进的性能比基线评估。

无关的刺激条件下,天花板效应对出现的比例正确的反应( ( ])和老年( ( ])的参与者识别任务。进一步的测试显示刺激条件敏感性指数之间没有显著差异(年轻的: , ,老人: , )正确的反应或反应时间(年轻: , ;老人: , )。在年轻的参与者,额外的探索性分析反应时间没有显著差异的刺激条件类似的( , )和不同的 , )错误选择的单词。老年人表现出倾向于较短的反应时间在现实tDCS条件类似的错误选择词( , )虽然没有这样的结果出现在不同的干扰( , )。

探索有额外的主客体因素重复测量方差分析年龄组之间表现出显著的交互检索和延迟回忆年龄组( , )但不立即检索( , )。事后比较证实了一直更高的性能相比,年轻的年老的参与者平均差为9.90, ,立即检索和8.76的话, ,在延迟回忆说。三方互动的刺激条件,检索和年龄并没有发现显著的影响为立即检索( , )或延迟回忆( , )。

3.2。神经递质措施

没有明显差异在符合质量数量和灰色或白色物质内容之间的刺激条件的两个年龄组(所有 )。

重复测量方差分析在年轻的参与者显示没有明显的刺激和时间之间的相互作用在GABA +:细胞( , ,图3(一))或Glx:细胞( , ,图3(b))的水平。Glx:细胞水平,只有时间达到意义的主要因素( , )。同样,没有明显的交互出现的E /我比( , ,图3(c))。在年轻的参与者, - - - - - -测试的百分比变化neurometabolites显示GABA +刺激条件之间没有显著差异:细胞( , ),Glx:细胞( , ),或者我E /比率( , )。

老年参与者,没有明显的刺激和时间之间的相互作用表现为GABA +:细胞( , ,图3(一))或Glx:细胞( , ,图3(b))的水平。GABA +:细胞水平,刺激的主要因素( , )和时间( , )达到边际意义。E /我比,交互项成为近乎显著( , ,图3(c))。此外,刺激条件没有影响的百分比变化GABA +:细胞( , )或Glx:细胞( , )随着时间的推移。然而,有一个显著差异的百分比变化的E /我比( , )与真正的阳极的tDCS诱发更大的大脑皮层兴奋性降低。

池夫人年轻和老年人参与额外的数据方差分析以年龄段为主题之间,没有明显的相互作用刺激和时间出现GABA +: tCr, Glx: tCr、E /我比率。此外,没有显著的主效应的任何年龄段的neurometabolite措施。

3.3。情景记忆和神经递质措施之间的相互关系

之间无显著关系观察延迟回忆性能和基线GABA +: tCr, Glx: tCr、E /我比率也有各自的变化,年轻的或年老的参与者。同样适用于各年龄组人群数据池。

当进行单独的两个年龄组,没有适度分析导致一个重要的模型。同样地,当池年轻和老年参与者的数据,模型与GABA +:识别和Glx:单独识别措施没有达到意义。然而,E /我的预测价值比之前的应用tDCS表示了这个模型的总体显著适合( , , )。更准确地说,低初始E /我率导致了更多的记住单词在延迟回忆1真正的刺激而虚假的高初始E /我比喜欢虚假的真实tDCS(图4(一))。在这个模型中,简单刺激的影响( , )和E /我比(t₍₆₇₎= 2.52, ),和年龄作为协变量( , )以及它们的交互( , )是重要的。模型中包括后者导致显著增加其解释方差( , , )。Johnson-Neyman信心乐队透露,这种交互是重要的初始E /我最低比率的16.7%,最高9.7%的(图4 (b))。

4所示。讨论

本研究建立在先前的研究中,我们表明,tDCS效果差,有利于初始低表现在语言情景记忆任务18]。只有相对同质人口健康的年轻人和一个适龄的认知能力参与后者,我们旨在增加这一发现的临床有效性包括老年参与者,其情景记忆能力是减少老年的函数(52- - - - - -54]。同时,大尺度效应的刺激出现在健康和病态老化(20.,55]。尽管如此有前途的前景,在这里,我们不能复制前面的年轻人。同样,tDCS的有益影响老年人仅限于越要求子条件识别任务。此外,我们增强我们之前与收购先生光谱研究,关注Glx的评估和GABA水平之前和之后的应用阳极的tDCS。而刺激没有显著影响Glx或GABA的两个群体,他们的比率,表示大脑皮层兴奋性,降低tDCS后老人。

之前的样本大小的计算基于我们之前的研究在健康年轻的成年人( ;(18])表示,我们会发现一个健壮的效果与30个参与者。所需的样本量在健康老年人是基于观察到的效应大小( )在一个由Sandrini和他的同事们(类似的研究11),暗示需要样本量的20个参与者。给出适当的样本大小,缺乏行为tDCS效应在这项研究可能归因于从平行交叉研究设计的变化,我们选择减少个人间的变化。立即检索1 - 3和延迟回忆1基线,年轻参与者回忆相当数量的单词在我们之前的研究18]。然而,在接下来的学习日子,熟悉任务导致显著提高自由回忆无论刺激条件。而导致一个有效致盲的参与者,虚假的tDCS不应该引起认知利益(42]。因此,性能基线和虚假的条件之间的差异应归因于参与者更习惯了任务。相关的天花板效应可能杜绝tDCS-induced的出现加剧了回忆分数在年轻的参与者。而不是逻辑内存测试,列出学习测试不产生明显的实践效果(56),甚至当应用并行版本(57];我们没有预料到这个效果。虽然我们保证采用的等效控制跨研究会话单词列表的长度,价,兴奋,和频率的物品,我们不能阻止使用更复杂的记忆策略在熟悉的任务。不同方法单词表学习任务在独立研究的日子里不仅有问题的数量减少的结果低表现为谁提出一个刺激效果。此外,这些不同的方法也涉及不同的激活模式以外的其他大脑区域确定参与真正的情景记忆过程。在语言情景记忆的情况下,左DLPFC至关重要的是参与记忆的编码内容(2,3];所以,我们选择这个皮质区域作为目标并发阳极的tDCS在任务的性能。目标站点更重要的考虑考虑到老年参与者作为他们的大脑活动模式的变化应对任务要求(58半球不对称模型所描述的),显著减少老年人(哈罗德;(59])。这就提出了一个问题:是否应该适应tDCS支持更多的双边活动模式的大脑中自然发生的老年人或者逆转的变化与衰老有关的调整大脑皮层活动模式的状态在年轻人中找到。的两项研究表明,恢复更多的青春如活动模式通过阳极的tDCS老年人与认知任务性能的提高性能(60,61年),我们选择开关的目标地区在人口和使用相同的设置单边阳极的tDCS的年轻人和老年人。

这里,老人只经历了边际收益刺激的识别任务,显示减少反应时间,当正确地识别类似的干扰,这是更艰巨的任务相比,正确的识别不同的干扰。这同意之前假设的tDCS涨幅限制更高的任务要求(17]。然而,由于缺乏更实质性的刺激(即好处。,in free recalls) in the older population, future studies might explore whether the effectivity of the stimulation improves when adjusting the target to the compensatory requirements of older brains. Apart from spatial considerations regarding the target, attention needs to be paid to the temporal alignment of tDCS to the task-related brain activity. In principle, a concurrent application of the stimulation with the task execution, as compared to applying the stimulation prior to the task, has been proven most effective in young and especially in elderly adults [62年,63年]。考虑到编码阶段期间,tDCS应用在这项研究中包括编码正确的和立即召回,任务相关的脑激活模式不一致与tDCS的目标区域重叠。这可能有减毒可能刺激作用。然而,阴极的位置在正确的眼眶上的地区,没有参与记忆过程,应该避免有害影响的tDCS的激活右DLPFC立即检索。除了影响编码和检索阶段,甚至是更持久的认知利益出现tDCS的应用程序在内存内容的整合64年]。此外,启动协议的使用,依靠降低塑性诱导的门槛,可以想见,加强运动皮层中演示的tDCS效果正如前面(65年]。

在大多数情况下,早期的研究集中在单独的tDCS探索影响行为的影响一方面和另一方面神经生理学上的刺激措施。只有结合的三个方面(即。,tDCS,behavioural, and neurophysiological measures) in a single study provides an adequate setting to test if and how changes induced by tDCS on a neurophysiological level produce performance changes in cognitive paradigms [66年]。迄今为止,研究的初级运动皮层是这种组合的先锋研究设计和生产相对一致的结果。然而,光谱glutamatergic代谢物先生和GABA,收购后的刺激大脑区域以外的初级运动皮层,产生了不一致的结果。值得注意的是,阳极的tDCS左边DLPFC只导致纹状体glutamatergic代谢物水平上升而未发现Glx和GABA水平的变化在目标区域(67年]。尽管tDCS也影响神经递质发生不同时参与一项任务,更大的刺激,从而更大的尺度效应focality预计的tDCS的交互与任务相关的生理大脑活动(68年),我们的目的是在当前的研究中。然而,我们并没有发现GABA的提出减少或高程的刺激左DLPFC Glx水平。缺乏神经递质变化绝不是归因于Glx少关键作用和GABA在这个大脑区域的功能。相反,通过其参与长期势差现象的归纳(LTP)作为学习和记忆的基础(69年),Glx介导的认知过程。沿着这些线路,前额Glx含量所预示的是交易员逆转学习任务绩效在狨猴(70年)而减少谷氨酸水平与老年认知障碍(71年]。同样,GABA作为主要的抑制性神经递质形状的大脑皮层激活(72年,73年]。增加GABA水平与健康的参与者在面对更大的困难高工作记忆负荷(74年),但也与2型糖尿病患者(情景记忆障碍75年]。干扰GABA传输另一方面改善与年龄相关的认知障碍在老鼠24)而减少的GABA水平通过阳极的tDCS恢复记忆在人类受试者76年]。没有一致的tDCS的影响的两个自己神经递质水平,有人建议区域大脑皮层兴奋和抑制(E / I)的平衡可能是一个更有意义的测量来评估网络活动效率Glx和GABA贡献以互补的方式32]。事实上,在这里,老人表现出更大的减少E /我比阳极的tDCS比虚假的刺激。尽管与预期相反,这一结果证实了这个组合测量皮质兴奋性的更大的意义。

独立于特定的刺激,tDCS系统的响应取决于如何有效地执行而不刺激。如果它已经执行稳态最优,以一个完美的E /我平衡,所提供的额外的输入,tDCS系统可能会抵制的保持在自我平衡的范围内,防止过度激发(77年),这可能导致观察到的效果。减少Glx随着时间的推移,我们观察到独立的刺激条件在年轻的参与者在同一个方向。而健康的年轻成年人的大脑可以将函数在适龄的最优,因此,不具备先决条件的改进的余地tDCS-induced收益,同样的原则可以适用于老年人高认知储备(78年]。当我们提出更大的尺度效应在老年人中,高教育水平人群的研究中,只有两个参与者报告少于12年的教育,也可能阻止进一步认知改善老年人口。是否会出现更大的尺度效应在老年人中与较低的教育水平还有待检验。除了neurometabolite变化刺激后,菲尔默和他的同事证明了抑制高基线,定义为一个更高的GABA / Glx比率,意味着更大的破坏性影响阴极的tDCS反应选择培训收益(79年]。与此同时,另一项研究产生了没有证据表明皮层兴奋性可以举出在基线预测的影响阳极的或阴极的tDCS对工作记忆性能(80年]。而后者是符合我们的研究的主要发现,承认我们的探索性分析的预测价值E /我比认知tDCS收益因为兴奋性较低基线被连接到一个更好的性能在延迟回忆。相反,高兴奋性刺激的基线表示产生不利影响。这一发现进一步支持了这种观点,即tDCS系统更有利,对次优水平,例如,对兴奋性。

在年轻女性中,应对tDCS也取决于她们的月经周期和各自的激素状态。在这方面,高水平的雌激素不仅与高架结构(81年)而且功能可塑性(82年,83年]。这个因素如何影响这个研究的结果不能最终确定会议以来不定时根据参与者的周期。然而,关于tDCS的目的应用治疗老年认知能力下降,这个问题只是次要的。

一般来说,tDCS的影响是有限的由于低组织穿透深度的应用当前的(84年,85年),一位老年人问题而进一步加剧,tendentially,展览头骨厚度增加86年]。另一方面,老龄化是伴随着更高的骨性结构的孔隙度87年),这可能会放大tDCS的渗透率。然而,减少皮质厚度随年龄(88年)结合当地萎缩(89年,90年)导致更大的分流的电流。考虑这些障碍,一些改进当前的实验程序的测试和开发tDCS的全部潜力。关于前者,采用高清电极设置,确保一个更焦刺激目标大脑区域(91年]可能有利于排除不可预见的应用电流之间的相互作用和大脑区域以外的目标。然而,这取决于单个目标的可靠识别区域或多个目标地区,尤其是在认知任务的情况下,本身就是一个复杂的风险因为大脑皮层活动模式在执行不同的任务重叠(92年]。正如上面所讨论的,选择一个目标区域是更复杂的老年人由于补偿的活动模式(59]。明显,电场分布强烈重叠在年轻人和老年人93年]。然而,确保应用电流到达确定的目标地区,老年参与者可能需要不同的电极安排补偿改变电流密度分布由于脑萎缩期间累积老化(89年,94年]。甚至比调整电极可能会更有前途的tDCS的重复应用在一个会话中(95年)或几天96年]。除了提高的直接影响刺激由于合并神经可塑性的变化,这个过程也是产生更持久的认知收益最多几个月(97年),进而增加临床治疗的价值。

只要tDCS neurometabolites提出影响,无法可靠地检测这些也可能与当前的局限性在这方面,太太太太测量不能区分neurometabolites与各自不同的功能池主音或相位的动态98年]。是否以及如何影响不同tDCS手头的研究无法解决,需要未来的研究的主题。此外,coediting导致重叠谱峰Glu、Gln GABA与大分子基线,从而进一步减少的措施的解释力的潜在生理过程(99年]。其中一些目前的缺点可以赎回夫人使用先进技术。例如,它应该semi-LASER-based [One hundred.- - - - - -102年]MEGA-edited夫人(103年)将增加Glx和GABA的敏感性检测由于其射频脉冲的带宽和空间选择性增加,导致一个不太明显的化学位移displacement-related信号取消除以体积。此外,使用7 t-mrs承诺不仅因为它允许解开纠结的谷氨酸和谷氨酰胺峰光谱(104年)而且减法的大分子基线GABA信号(105年]。后者是特别感兴趣的,因为抑制高分子谱组件增加GABA水平的相关性与个别歧视vibrotactile和视觉刺激的阈值(106年),因此可能导致更好的理解neurometabolites和行为之间的关系。进一步、功能与夫人目前的静息状态的评估夫人光谱可以帮助识别更直接的刺激的影响,这可能是被长期收购次几分钟(107年]。综合研究在这些方向可能最终导致的发展结合tDCS-MRS特别适合于前额叶区域协议设定的例子后提出了初级运动皮层(108年]。

5。结论

按照积累的研究报告对tDCS零影响在集团层面上,我们的研究并不能最终确定的影响阳极的tDCS情景语言的记忆性能或在左边DLPFC神经递质水平。尽管如此,我们的探索性研究结果证明,神经生理学和行为评估措施的重要性充分驱动未来的tDCS的研究仍在继续。都理解tDCS-induced认知的神经生理学基础的好处体现在多个其他研究和生物标记物预测刺激的识别结果对改进的潜力是不可或缺的tDCS作为价值的认知疗法的选择健康和病态老化。而不是使用tDCS仅仅以标准的方式,一个更高的效力是归因于一个个性化的治疗,不同的病人特点考虑,更依赖于一个详尽的知识的作用机制刺激方法。

数据可用性

数据将根据客户要求提供相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有竞争的经济利益。

作者的贡献

Annegret Habich负责概念化,正式的分析、调查、方法论、项目管理、验证、可视化、和写作(草稿准备和审查和编辑)。约翰内斯Slotboom负责的方法、软件、可视化、和写作(审查和编辑)。杰西卡·彼得负责概念化和写作(审查和编辑)。罗兰王寅负责资源和写作(审查和编辑)。Stefan Kloppel负责概念化、资源、监督和写作(审查和编辑)。

补充材料

(补充材料)

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