文摘

通过无创性脑刺激增强认知功能是巨大的公共利益,特别是老龄化的过程,如工作记忆是谁知道下降。在一项随机双盲交叉研究中,我们调查了急性bifrontal的行为和神经后遗症和frontoparietal经颅直流电刺激(tDCS)结合视觉工作记忆(VWM)受过高等教育的老年人25日培训。静息状态的功能连通性(rs-FC)分析执行之前和之后的每一个刺激会议重点是frontoparietal控制网络(FPCN)。bifrontal蒙太奇与阳极在左背外侧前额叶皮层增强VWM精度比虚假的刺激。rs-FC FPCN中,我们观察到显著 交互使用bifrontal tDCS。我们没有发现认知后遗症的frontoparietal tDCS而虚假的刺激。我们的研究表明,单个bifrontal tDCS结合认知训练可以增强VWM性能和rs-FC有关大脑网络即使在受过高等教育的老年人。

1。介绍

认知功能的增强和修复老化的人口是一个令人兴奋的研究课题和感兴趣的领域。工作记忆(WM),特别是视觉工作记忆(VWM)恶化由于老化(1,2]。WM指的是一个时间缓冲存储和操纵感觉或抽象信息为其他认知过程和被认为是至关重要的执行功能,如规划、推理和决策,以及重要的日常运作(3- - - - - -5]。frontoparietal控制等主要认知的大脑网络和背侧注意网络管理维护的过程很重要,更新和执行工作记忆(6- - - - - -8]。

研究旨在提高认知使用无创性脑刺激(上司)技术表明,持续的脑网络处理可以通过调优和可取的方式重组9),导致有利的行为通过强化国际米兰-后遗症和intranetwork沟通(10- - - - - -14]。经颅直流电刺激(tDCS)是一个简单,便宜,安全,和痛苦的神经调节技术能够提高认知使用直流弱,一般一对电极之间放置在头皮上,改变底层的大脑皮层兴奋性组织。建议,由于相对微妙neuromodulatory效果(大脑中的感生电场是< 1 V / m,产生最小的细胞膜极化),tDCS可能更显著的提高潜力当大脑网络已经从事认知任务(9]。

脑刺激的老龄化挑战,如介绍一般的nib反应率较低,可能与年龄相关的通用减少神经可塑性(15),和更高的灰质萎缩,可能会阻碍认知收益刺激(16,17]。尽管存在这些挑战,在健康老化和年龄相关的神经精神疾病,如轻度认知障碍(MCI)由于神经退行性疾病、组合等方法的结合nib与认知或体能训练可能增强认知有显著影响(12,18- - - - - -27]。

确定最优tDCS协议的问题,目的是改善VWM老龄化是一个重要的和仍然悬而未决的话题。几个tDCS电极植入测试在一个会话(12,23)和多个会话方案在健康老年人(11,13,24,25和MCI患者26,27]。最常用的皮质tDCS老龄化的目标正确的背外侧前额叶皮层(DLPFC) [13,23,25,27,28],左边DLPFC [29日,30.额皮层),左侧(26),右顶叶(CP5 P6,分别根据真空度脑电图系统)(12,23根据10 - 20)和右parietotemporal (T6脑电图系统)(11皮质,在WM处理[服务特定的角色31日,32]。是否更有效的目标相对于bifrontal单边frontoparietal皮层刺激仍未有定论。Arciniega et al。23]使用单个会话的tDCS电极与各种空间蒙太奇,目的是提高VWM。在这个试点研究,作者报道,针对右frontoparietal皮层(阳极与阴极DLPFC正确的后顶叶皮层)导致老年人更加明显VWM受益( 岁)相比bifrontal(阳极在右DLPFC和阴极左DLPFC)刺激。作者认为,这种差异在VWM性能之间的蒙太奇可以归因于恢复更“一样年轻”边音的大脑活动的模式后,单方面对frontoparietal刺激。值得注意的是,作者只使用在线记忆任务没有进一步的勘探tDCS-induced后遗症。然而,tDCS-induced认知后遗症的主要临床相关性可能影响日常运作。

在目前的研究中,我们使用tDCS加上“在线”VWM培训任务,静息状态功能磁共振成像研究急性干预后遗症VWM性能在健康老年人科目(≥60岁)和识别神经的变化相关。由于缺乏共识关于电极位置诱导的最佳刺激的后遗症,我们使用两种不同的电极蒙太奇在双盲、随机、交叉试验。我们应用一个bifrontal tDCS蒙太奇与阳极放在左DLPFC,已被证明能够促进额补偿机制在健康老年人科目(29日和与WM增强有关29日,33,34]。正确的frontoparietal电极蒙太奇是基于研究Arciniega et al。23),从我们自己的神经影像功能磁共振成像研究结果(35]。在创作中,视觉对象符合WM task-induced大胆的信号增加改变在右侧额中回(用于遗忘MCI)和正确的后壁小叶与MCI(帕金森病)相比健康的老年人,表明缺乏自上而下的调制的视觉处理认知能力下降的一个标志。

目前知之甚少tDCS如何影响老年受试者的大规模脑网络。我们决定调查tDCS-induced静息状态功能连通性变化(rs-FC) frontoparietal控制网络(FPCN)。我们选择这个网络来研究,因为它是从事各种认知控制过程,特别是那些涉及信息集成、反应选择、空间的关注,和决策(36]。中心节点强烈参与视觉对象符合WM任务(35]。此外,电极放置在额叶和顶叶的中心网络,使它更容易intervention-induced连通性变化。基于之前的nib的研究,我们认为成功的tDCS会导致内在连接增强网络中(13,14]。

据我们所知,这是第一份研究行为后遗症tDCS加上“在线”VWM训练在一个健康的老年人口,目的是识别神经通过rs-fMRI分析相关的后遗症。

2。材料和方法

2.1。主题和研究设计

25健康老年人( 岁的;17个妇女和8人)参与了这项研究。只有参与者没有严重的神经精神疾病和完整的认知是包括在实验的基础上,一个复杂的神经心理学检查前研究;没有参与者铁磁金属体内(由于核磁共振数据采集的存在)。所有的参与者都有高中或高等教育的水平 年。

我们使用一个双盲交叉设计。所有参与者接受了一系列四tDCS使用两个不同的电极刺激蒙太奇与相应的虚假的刺激在同一刺激的区域。这项研究是由当地伦理委员会批准。通知书面同意之前从参与者获得研究过程。审判是在ClinicalTrials.gov抢注的NCT04134195。

所有参与者功能性磁共振成像(fMRI)之前和之后在每个实验tDCS会话。视觉目标匹配任务的主要行为的结果,(VOMT)之前和之后执行的tDCS视觉工作记忆任务与面孔和场景作为“在线”认知训练任务期间tDCS刺激(在线VOMT)。所有的任务都是实践的参与者在基线(开放)会话,以防止高学习效果之间的第一个和第二个刺激会话。开幕式期间,所有的参与者进行了结构磁共振脑成像(sMRI),目的是使用这些图像的精确定位电极。为进一步细节,见图1。


图1
开幕式期间,参与者接受sMRI神经心理学检查和他们练习VOMT在线VWM任务。VOMT和rs-fMRI每个tDCS之前和之后执行。
2.2。神经心理评估

研究入口之前,所有的参与者完成一个复杂的神经心理学评估认知功能在多个领域,包括全球认知、空间视觉感知、记忆(短期和长期,识别),注意/精神运动速度、执行功能和语言功能为了确认完整的认知。日常生活活动和抑郁症状也被评估。标准化者的年龄和教育规范成绩计算为每个主题。研究参与者招募只有得分低于1.5 SD低于规范在所有认知测试成绩。要想知道更多的细节,请见表1。

表1
研究小组的神经心理学特征, 。
2.3。行为的结果

视觉目标匹配任务是改编自Elfmarkova et al。35]。主要的行为结果,VOMT,由18对情感中立的共同对象的图像(18对传统观点图像,18对非常规views-spatially旋转,即。,一对对象的形象呈现在一个非传统的旋转,见图2、线3和4)。每一种类型的事件由下列顺序:面具刺激(1),其次是第一个对象图(1),紧随其后的是一个面具(1),紧随其后的是第二个对象图(1),紧随其后的是一个面具(1),以一个固定交叉(5 s)。图片配对为了呈现给参与者。每一对的第二图像要么是相同的(相同的)作为第一个图像(传统、条件1),不同的身份(传统、条件2),相同的第一形象,但空间旋转(非常规、条件3),或不同的身份和空间旋转(非常规、条件4)。每一个类型的事件(常规条件1和2和非常规条件3和4)发生9次协议。参与者被要求尽快回复,按“是”(左)按钮如果第二个对象的配对图像是一样的第一对象(无论空间定位)或按“不”(右)按钮,如果他们是不同的。第二个图像出现后,参与者必须尽快做出反应。被随机分配条件。主要的结果反应时间(RT;刺激和反应之间的外观)和准确性(正确的反应)的百分比。


图2
VOMT使用传统和非传统的观点对对象。1号线:传统观点的任务条件下,正确的答案是肯定的(左按钮);第2行:传统观点的任务条件下,正确的反应是没有(右按钮);第3行:非传统观点任务条件下,正确的反应是肯定的(左按钮);第4行:非传统观点任务条件下,正确的反应不是(右按钮)。

视觉工作记忆任务与面孔和场景是改编自Gazzaley et al。37]。tDCS期间,参与者进行了“在线”VWM认知训练任务组成的两个子任务的视觉信息方面保持不变而任务要求操纵(图3)。在每个试验中,参与者观看,在随机顺序,序列的两个面孔和两个自然场景。不同的任务指令,告诉参与者如何处理刺激:(1)记住脸和忽略的场景(“忽略场景”)或(2)记得场景和忽略的面孔(“记住场景”)。在这个VWM任务,需要选择性注意编码任务相关的刺激和测试WM 9秒后延迟当参与者识别样本测试他们的能力刺激任务相关的线索,屈服行为视觉工作记忆测量性能。在这个任务中,48一起试验,1或2条件随机分为十二块组成的八个试验。在每个试验中,我们添加了5块之间的停顿和30年代停顿。任务的长度大约二十分钟,复制tDCS刺激持续时间。


图3
实验框架。只有在这两个子任务的不同指示在每次运行的开始,指导参与者,如果有的话,刺激他们应该试图记住9岁以上延迟,并在响应需求。响应时间的两个记忆任务,一张脸或场景刺激了(对应相关的刺激类),和参与者被要求报告一个按钮按下刺激是否匹配前面提出的刺激。
2.4。经颅直流电刺激

刺激使用马2(30秒的过渡/下)直流电在两个单独的管理协议通过电池驱动tDCS刺激器(neuroConn DC刺激器+能够集团GmbH,慕尼黑,德国) 电极与导电凝胶20 minutes-unilateral bifrontal刺激协议。所有参与者收到四个随机和抵消刺激会话(2独特的蒙太奇与相应的虚假的刺激)与至少一天,洗脱期。使用T1-MRI图像,Brainsight™neuronavigation系统被用来精确定位电极的中间目标地区。阳极安装在右侧额中回(生产厂),阴极连接到右侧顶叶小叶(SPL)右侧单边tDCS蒙太奇。阳极是放在左DLPFC和阴极在右MFG bifrontal刺激协议(蒙太奇的更多细节,请参见图4)。


图4
(a, b)阳极和阴极配售bifrontal和右frontoparietal tDCS蒙太奇,分别使用SimNIBS建模软件与电流密度决定的例子(38];(c) MNI ( )electrode-center tDCS蒙太奇的坐标。
2.5。行为数据分析

行为的统计数据分析,我们应用一个线性混合模型(LMM)和时间(基线与poststimulation时间点),刺激类型(真实与虚假的)和 类型互动作为固定效应和对象作为随机效应。基线性能计算为每个主题的平均prestimulation表现为每个类型的tDCS蒙太奇(右frontoparietal和bifrontal)。神经影像学和行为数据之间的相关性进行了使用皮尔逊相关系数。相关分析,行为性能变化计算postbaseline性能差异。科恩的 重复的措施被用来估计效果通过G-power 3.1软件。IBM SPSS 26中的行为进行统计分析。

2.6。核磁共振数据采集和预处理

通过3.0 T MRI数据收购Magnetom西门子棱镜。sMRI数据,T1 MPRAGE序列(TR 1620 ms;TE 2.44女士;体素的大小 mm;视场 mm;翻转角度8°;224年横向切片)使用;gradient-echo, T2 echo-planar成像序列用于rs-fMRI数据(TR 850 ms;TE 35.2女士;体素的大小 mm;FoV 208毫米;翻转45°角;80年横向切片;700扫描;8)多波段因素。在收购rs-fMRI数据,要求所有人都闭上他们的眼睛,尽量不去想任何特定的主题,而不能入睡。

我们分析了rs-fMRI数据与SPM12 MATLAB R2019a下运行。数据预处理管道包括调整和unwarp,空间归一化和空间平滑的应用5毫米)。我们控制数据空间异常(例如,辍学)面具Explorer工具(39)以及工件由于过度运动使用framewise位移(FD)标准 (5毫米不到20%的扫描对象除外) mm在任何扫描(如果存在,通常不超过1扫描每个会话;排除在分析)。数据过滤(24运动参数)对运动影响,讨厌信号源自白质和脑脊髓液,和高通滤波器(截止1/128 Hz)的网络连通性分析。

2.7。核磁共振成像数据分析

预处理后,我们用独立分量分析(ICA)预处理rs-fMRI数据。数据分解为28统计独立的组件(40,41使用ICASSO] (ICA空间群,infomax算法,MDL准则)。ICA进行使用礼物v3.0b工具箱(42在MATLAB环境中(MathWorks公司,纳蒂克,妈,我们,R2019a版)。手动,我们确定了空间组件代表FPCN和选择当地maxima FPCN区域作为感兴趣的区域(36)(见图5)。


图5
列表选择种子和rs-fMRI网络分析的坐标。图像分解ICA用于调整种子位置从高和林36]。注意:lSFG:左额上回;rSFG:右侧额上回;ACC:前扣带;rIPL:右顶叶小叶;lIPL:左顶叶小叶;右额下回rIFG:;利比亚伊斯兰战斗组织:左额下回。

我们从该地区fMRI信号中提取感兴趣的领域(半径6毫米)种子的位置,意味着作为代表信号。连通性分析,我们使用皮尔逊相关性代表信号,转换为 值使用费舍尔 - - - - - -- 转换。我们的重点是刺激种子之间的连接性(种子放置在电极下面的区域中心)和网络种子。线性混合模型分析应用于评估刺激的影响,时间的影响,和他们的交互连接值。所有的分析, 纠正测试的数量被用作统计显著性水平。分析了在MATLAB (R2019a)。

3所示。结果

tDCS协议应用于研究都是良好的耐受性和安全。没有人抱怨不利影响的情况,比如疼痛或燃烧期间或之后皮肤感觉刺激。一些参与者报告轻微瘙痒的感觉。对的影响bifrontal tDCS蒙太奇,我们发现一个重要 总体精度类型交互效应( ; )支持活动的条件和介质效应大小, 。时间的影响 ; )和刺激类型( ; )也重要,见表2和图6。

表2
在主行为结果VOMT行为结果。

图6
总体精度变化(百分比)后bifrontal tDCS蒙太奇。

的frontoparietal tDCS蒙太奇,行为VOMT表示没有显著的结果 在整体的RTs(类型交互效果 ; )和整体精度( ; )。

基于行为的结果,我们进一步探索的神经基础bifrontal tDCS利用rs-fMRI中描述的材料和方法。我们观察到一个重要的 影响阳极之间的rs-FC种子和左顶叶低劣(lIPL) (Brodmann面积40:-60 42 34), , ),参见图7。tDCS-induced行为之间的关系和连接真正的刺激条件的变化不显著( , )。


图7
变化rs-fMRI连接(百分比)lDLPFC和IPL之间使用bifrontal tDCS蒙太奇。

4所示。讨论

有没有效的策略来减弱与年龄相关的认知能力下降。我们甚至清楚地表明一个bifrontal tDCS会话与阳极放在左边DLPFC加上在线认知训练导致立即温和(效应的大小 )改善VWM任务的性能比单独认知训练(加上骗局tDCS)。tDCS协议的一般作用在老年人最近挑战[30.),我们的研究结果与荟萃分析的结果(43]显示整体轻度至中度影响前额叶在WM tDCS健康的老年人口。专门研究报道左边DLPFC tDCS相同功效的WM人口(29日,33,34]。不像在我们的研究中,这些研究的tDCS不搭配在线认知训练29日,33]或tDCS的研究只关注网络效应(28,34]。

最近的一项研究Nissim et al。13)还透露的积极作用biprefrontal tDCS蒙太奇加上认知训练。值得注意的是,作者使用倒生的电极极性,不同于我们的研究(阳极在右DLPFC)和task-induced fMRI(β值两个地区之间的利息大胆的时间序列),而不是rs-fMRI(在我们的研究中使用)来识别重大变化之间的功能连通性的种子进行了n - back WM任务。只有多个(10)会话的tDCS导致增加字母n - back任务之间的精度和功能连通性增加左DLPFC和右顶叶皮层后,真实与虚假的刺激(13]虽然单个会话tDCS结合认知训练并没有导致显著的神经或行为后遗症[28]。符合多个会话的tDCS的结果结合认知训练(13单一会话干预相结合的),我们的研究结果也表明增强frontoparietal节点之间的连通性真实与虚假的tDCS的结果。我们专注于rs-FC改变阳极种子和FPCN节点之间由于单个会话干预相结合,和我们观察到左侧功能连通性增强,而Nissim et al。13]报道两半球间的连通性变化由于多个会话的干预使用不同的认知任务相结合,不同的蒙太奇,不同的功能磁共振成像的方法。换句话说,研究它和et al。13,28不能直接与我们的结果。而同时具有左、右侧frontoparietal地区(如评估rs-fMRI和图论指标)VWM相关任务性能(44),我们相信rs-FC的侧边性增强观察到在我们的研究中可能造成的tDCS特定协议和左阳极位置。

虽然我们没有观察到tDCS-induced行为和神经之间的相关性变化,它建立了额叶和顶叶区域之间加强沟通代表一个WM过程的可能机制lDLPFC从事自上而下注意控制(8)和顶叶区域作为缓冲WM内容(7,45,46]。在老龄化的背景下,主要的认知大规模脑网络显示减少intranetwork连接,这使得它们更明显(47]。内在的tDCS-induced增加FPCN连接可能扭转当地FPCN随着年龄的效率下降。

有趣的是,未发现影响后右侧frontoparietal tDCS随之而来的认知训练。这个发现很不一致的假设提出双离解半球为特定的WM专门化的内容(48,49];即。,the right DLPFC tDCS selectively improves visual WM and lDLPFC stimulation enhances the verbal WM. The evidence for the double dissociation comes mainly from experiments conducted on young adults [48,49]。外侧前额叶皮层的作用在WM处理可能不同老年人由于年龄相关性降低大脑的专业化网络和他们的节点47,50]。虽然一些老年人的研究支持这一假设的半球特定WM处理(29日,33,34),其他作品(包括当前的研究)表明一个更domain-general modality-unspecific前额叶的作用和frontoparietal tDCS [13,23]。的阴性结果frontoparietal刺激在我们的研究中没有对应的结果,例如,Arciniega et al。23),可能是由于不同的招聘群健康的老年人。我们包括认知是否和高性能的志愿者(VOMT接近上限,~ 90%的准确率),而Arciniega et al。23)显示,只有较低的老年人WM能力受益于右侧的刺激。因此,它似乎是合理的,只有主题与大脑更明显的赤字和/或病理可能受益于tDCS电极蒙太奇。进一步的研究应该阐明这一假设。

综上所述,我们的研究进一步支持了这种观点,即特定的tDCS蒙太奇可能最佳的后遗症在不同种类的科目23,51- - - - - -54]。我们证实了即使是高性能的老年志愿者可能受益于bifrontal tDCS伴有认知训练相比单独认知训练(加上骗局tDCS)和联合干预协议可能导致改进VWM任务的准确性和潜在的增强FPCN rs-FC。我们完全意识到这项研究的一些局限性。我们的研究样本包括高等教育只有老年人;这就是调解WM改善(51),因此,我们的研究结果可能不是转移到老年人的一般人群。

5。结论

这个随机对照研究表明,即使是一个bifrontal会话的tDCS的阳极放在左DLPFC,结合认知训练相比只是认知训练与虚假的刺激,可能会改善VWM性能之间的高效健康的老年人和增强rs-FC左frontoparietal FPCN的种子。未来的研究应该探索改善实验认知任务是否可以转移到其他任务和认知领域,提高日常运作。同时使用多个会话的tDCS认知训练可能诱发持续行为后遗症,和dose-controlled tDCS使用精确的个性化的电场建模可能成为另一个一步在设计未来的研究。

数据可用性

支持这些发现在这项研究中使用的数据集可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者没有实际或潜在的利益冲突。

确认

这个项目获得资助的格兰特捷克卫生部(nv18 - 04 - 00256):“经颅直流电刺激的影响在轻度认知障碍——视觉注意力功能磁共振成像和非侵入性脑刺激研究相结合。“我们承认的核心设施MAFIL CEITEC Czech-BioImaging支持的大型国际扶轮项目(LM2018129由最大经济产量CR)的支持,获取科学数据摘要。