interaction using bifrontal tDCS. We found no cognitive aftereffects of the frontoparietal tDCS compared to sham stimulation. Our study shows that a single bifrontal tDCS combined with cognitive training may enhance VWM performance and rs-FC within the relevant brain network even in highly educated older adults."> 急性tDCS结合认知训练的认知后遗症:健康老年人的功能磁共振研究 - betway赞助

神经可塑性

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神经可塑性/2021/文章

研究文章|开放获取

体积 2021 |文章的ID 6664479 | https://doi.org/10.1155/2021/6664479

P. Šimko, M. Pupíková, M. gajdokovsky, I. Rektorová 急性tDCS结合认知训练的认知后遗症:健康老年人的功能磁共振研究”,神经可塑性 卷。2021 文章的ID6664479 10 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/6664479

急性tDCS结合认知训练的认知后遗症:健康老年人的功能磁共振研究

学术编辑器:迈克尔·威斯
收到了 2020年12月30日
修改后的 2021年3月4日
接受 2021年3月27日
发表 2021年4月13日

摘要

通过非侵入性大脑刺激增强认知功能具有极大的公众兴趣,特别是对于众所周知工作记忆等过程会衰退的老年人群。在一项随机双盲交叉研究中,我们调查了25名高学历老年人双额和额顶经颅直流电刺激(tDCS)结合视觉工作记忆(VWM)训练的急性行为和神经后遗症。静息状态功能连通性(rs-FC)分析在每次刺激前后进行,重点关注额顶叶控制网络(FPCN)。双额蒙太奇与阳极在左背外侧前额叶皮层增强VWM的准确性与假刺激相比。对于FPCN内的rs-FC,我们观察到明显 使用双额tDCS相互作用。我们发现与假刺激相比,额顶叶tDCS没有认知后遗症。我们的研究表明,即使在受过高等教育的老年人中,单一双额tDCS结合认知训练也可以提高相关脑网络中的VWM表现和rs-FC。

1.简介

老年人认知功能的增强与恢复是一个令人振奋的研究课题和研究领域。工作记忆(WM),特别是视觉工作记忆(VWM),会随着年龄的增长而恶化[12].WM指的是为其他认知过程存储和处理感官或抽象信息的时间缓冲区,被认为对计划、推理和决策等执行功能至关重要,对日常功能也很重要。3.- - - - - -5].主要的认知脑网络,如额顶叶控制和背侧注意网络,在管理维持、更新和执行工作记忆的过程中很重要[6- - - - - -8].

旨在使用非侵入性脑刺激(NIBS)技术增强认知的研究表明,持续的大脑网络处理可以以理想的方式调整和重组[9],通过改进网络内部和内部通信,产生良好的行为后遗症[10- - - - - -14].经颅直流电刺激(tDCS)是一种简单、廉价、安全、无痛的神经调节技术,能够利用弱直流电增强认知能力,通常是放置在头皮上的一对电极之间,改变下层脑组织的皮层兴奋性。有人认为,由于tDCS的神经调节作用相对微妙(大脑中的诱导电场<1 V/m,产生最小的细胞膜极化),当大脑网络已经参与认知任务时,tDCS的增强潜力可能更明显[9].

在老年人群中进行脑刺激会带来一些挑战,比如NIBS反应率普遍较低,这可能与年龄相关的神经可塑性普遍降低有关[15,以及更高的灰质萎缩,这可能阻碍从刺激中获得认知能力[1617].尽管存在这些挑战,但在健康老龄化和与年龄相关的神经精神疾病中,如神经退行性疾病导致的轻度认知障碍(MCI),诸如NIBS与认知或体育训练相结合的组合方法可能具有显著的认知增强效果[1218- - - - - -27].

确定最优tDCS协议以改善老年人群的VWM是一个重要的和仍未解决的问题。在一次测试中测试了多个tDCS电极布置[1223以及健康老年人的多次疗程[11132425和轻度认知障碍患者[2627].在老年人群中,tDCS最常使用的皮层靶点是右背外侧前额叶皮层(DLPFC) [1323252728],左侧DLPFC [2930.,左额下叶皮层[26],右顶叶(CP5和P6,根据10-10脑电图系统)[1223和右顶颞(根据10-20脑电图系统的T6) [11皮层,已知在WM处理中起特定作用[3132].针对单侧额顶叶皮质的刺激是否比双额叶刺激更有效还没有定论。Arciniega等人。[23]使用单次tDCS与各种空间电极蒙太奇,目的是增强VWM。在这项初步研究中,作者报道,针对右侧额顶叶皮层(阳极在右侧DLPFC上,阴极在右侧后顶叶皮层上)导致老年人更明显的VWM获益( 与双峰刺激(阳极在右侧DLPFC上,阴极在左侧DLPFC上)相比。作者认为,蒙太奇组之间VWM表现的差异可以归因于在单侧右侧额顶叶刺激后,大脑活动恢复了更“年轻”的偏侧化模式。值得注意的是,作者只使用了在线记忆任务,没有进一步探索tdcs诱导的后遗症。然而,tdcs诱导的认知后遗症具有重要的临床意义,可能会影响日常功能。

在目前的研究中,我们使用tDCS结合“在线”VWM训练任务和静息状态fMRI来研究急性干预对健康老年受试者(≥60岁)VWM性能的影响,并确定这些变化的神经相关因素。由于在诱导最佳刺激后效的电极放置方面缺乏共识,我们在双盲、随机、交叉试验中使用了两种不同的电极蒙太奇。我们应用双额tDCS蒙太奇,阳极放置在左侧DLPFC上,这已被证明可以促进健康老年人受试者的额代偿机制[29],并与增强WM有关[293334].右侧额顶叶电极蒙太奇是基于Arciniega等人的研究。[23]和我们自己的神经成像功能磁共振成像研究的结果[35].在这项研究中,与健康的老年人相比,视觉对象匹配WM任务诱导的BOLD信号增加在右侧额中回(对于遗忘性MCI)和右侧顶叶后小叶(对于帕金森病伴MCI)内发生了改变,这表明视觉处理的自上而下调节缺陷是认知能力下降的标志。

目前还不清楚tDCS如何影响老年受试者的大规模大脑网必威2490络。我们决定研究tdcs引起的额顶叶控制网络(FPCN)内静息状态功能连接(rs-FC)的变化。我们选择这个网络进行研究,因为它参与各种认知控制过程,特别是那些涉及信息整合、反应选择、空间注意力和决策的过程[36].其中心节点强烈参与可视化对象匹配WM任务[35].此外,电极放置在脑网络的额叶和顶叶枢纽内,使其更容易发生干预诱导的连通性改变。基于之前的NIBS研究,我们预期成功的tDCS将导致网络内在连通性的增强[1314].

据我们所知,这是第一个在健康老年人群中检验tDCS结合“在线”VWM训练的行为后遗症的研究,目的是通过rs-fMRI分析确定这些后遗症的神经相关。

2.材料与方法

2.1.研究对象与研究设计

25名健康的老年人( 岁的;17名女性和8名男性)参与了这项研究。只有没有严重神经精神疾病和完整认知的参与者在研究前进行了复杂的神经心理学检查的基础上被纳入实验;参与者体内没有铁磁性金属(由于有MRI数据采集)。所有参与者都有高中或更高的教育水平 年。

我们采用了双盲交叉设计。所有参与者都接受了一系列的四次tDCS刺激,使用两个不同的电极蒙太奇,在相同的刺激区域进行相应的假刺激。该研究得到了当地伦理委员会的批准。在研究程序开始前,获得受试者的知情书面同意。该试验在ClinicalTrials.gov上进行了预注册NCT04134195

所有参与者在每个实验阶段的tDCS之前和之后都进行了功能MRI (fMRI)检查。主要的行为结果,视觉对象匹配任务(VOMT)在tDCS刺激前后进行,在tDCS刺激期间,将人脸和场景作为“在线”认知训练任务的视觉工作记忆任务(在线VOMT)。所有的任务都由参与者在基线(开放)阶段进行练习,以防止第一和第二刺激阶段之间的高学习效果。在开幕式期间,所有参与者都进行了结构磁共振脑成像(sMRI),目的是使用这些图像精确定位电极。有关进一步的详细信息,请参见图1

2.2.神经心理评估

在研究开始前,所有参与者在多个领域完成了复杂的认知功能神经心理学评估,包括全局认知、视觉空间感知、记忆(短期和长期,识别)、注意力/精神运动速度、执行功能和语言功能,以确认完整的认知。日常生活活动和抑郁症状也进行了评估。计算每个受试者的标准化年龄和基于教育程度的规范性得分。只有当参与者在所有认知测试中的得分低于标准得分1.5个标准差时,他们才被招募参与研究。详细信息请参见表1


认知领域 测试 的意思是 SD 最小值 马克斯

视觉感知 詹妮弗·洛佩兹 24.36 3.57 17 30.
ROCF-C 33.58 2.05 29 36

内存 ROCF-I 17.72 4.95 9 27
ROCF-D 17.14 5.31 5 26
ROCF-R 20.13 1.81 17 23
WL-I 30.2 3.91 21 24
WL-D 5.5 2.3. 1 9
WL-R 22.54 1.35 8 22

注意力,精神运动速度 TMT-A 39.41 9.64 24 70
ST-W 81.37 10.79 56 101
ST-C 68.41 10.41 51 88

执行功能 ST-CW 37.33 8.33 24 58
ST-I 2.09 7.16 -16.7 17
TMT-B 88.04 22.02 52 130
VFT-S 24.92 6.39 15 38
VFT-L 41.88 9.47 27 63
把需要 31.18 9.24 12 51

语言 TT 35.27 0.66 34 36
BNT-30 27.22 2.02 23 30.

抑郁症 BDI二世 9.36 5.5 3. 27

日常运作 常见问题解答 0.08 0.39 0 2

JLO:直线方向判断;ROCF-C, I, D, R: Rey-Osterrieth复合图测试:复制、立即、延迟回忆和识别;WL-I, D, R:韦氏记忆量表III:单词表立即、延迟回忆和识别;TMT-A:试车试验A部分;ST-W, C, CW, INT: Stroop颜色和单词测试,单词,颜色,颜色词,干扰评分;TMT-B:试车试验B部分;VFT-S, L:语言流畅性测试,语义,词汇;FPT:五点检验;TT:令牌测试;BNT-30:波士顿命名试验; BDI II: Beck’s depression inventory.
2.3.行为的结果

视觉对象匹配任务改编自Elfmarkova等人。35].主要的行为结果,VOMT,包括18对情绪中立的普通物体图像(18对常规视图图像,18对非常规视图图像——空间旋转,即,以非常规旋转的方式呈现一对物体的图像,见图2每一种类型的事件都包含以下序列:一个面具刺激(1秒),接着是第一个物体图片(1秒),接着是一个面具(1秒),接着是第二个物体图片(1秒),接着是一个面具(1秒),以一个固定十字架(5秒)结束。按顺序成对的图片呈现给参与者。每对的第二张图像要么与第一张图像相同(相同)(常规,条件1),要么在标识上不同(常规,条件2),要么与第一张图像相同但在空间上旋转(非常规,条件3),要么在标识上不同并在空间上旋转(非常规,条件4)。每种类型的事件(常规条件1和2以及非常规条件3和4)在一个协议中发生了9次。参与者被要求尽快做出反应,如果配对图像中的第二个物体与第一个物体相同(无论空间方向如何),就按“是”(左)键;如果两个物体不同,就按“否”(右)键。第二张图片出现后,参与者必须尽快做出反应。这些条件是随机的。主要结果为反应时间(RT;刺激和反应出现之间的时间)和准确性(正确反应的百分比)。

基于人脸和场景的视觉工作记忆任务改编自Gazzaley等人。37].在tDCS过程中,参与者进行了一个“在线”的VWM认知训练任务,包括两个子任务,其中视觉信息方面保持不变,而任务需求则被操纵3.).在每次试验中,参与者按随机顺序观看两张脸和两个自然场景的序列。不同的任务在指示上有所不同,指示告诉参与者如何处理刺激:(1)记住面孔,忽略场景(“忽略场景”)或(2)记住场景,忽略面孔(“记住场景”)。在VWM任务中,需要选择性注意对任务相关刺激进行编码,并在9 s后测试WM,测试参与者识别样本刺激作为任务相关线索的能力,产生视觉工作记忆表现的行为测量。在这项任务中,连同48个试验,条件1或2被随机分为12个组,包括8个试验。在每次试验中,我们在块之间添加5秒和30秒的暂停。任务长度约为20分钟,复制tDCS刺激持必威2490续时间。

2.4.经颅直流电刺激

通过电池驱动的tDCS刺激器(neuroConn DC刺激器来自neuroCare Group GmbH, Munich, Germany),采用2 mA直流电刺激(30秒上升/下降),采用两种不同的方案进行刺激 电极与导电凝胶连接20分钟-单侧右侧和双额刺激方案。所有参与者都接受了4次随机和平衡的刺激(2个不同的蒙太奇和相应的假刺激),至少有1天的洗脱期。使用T1-MRI图像,使用Brainsight™神经导航系统精确定位目标区域电极的中间位置。阳极安装在右侧额中回(MFG)上,阴极连接到右侧顶叶上(SPL),用于右侧单侧tDCS蒙太奇。在双额刺激方案中,阳极放置在左侧DLPFC上,阴极放置在右侧MFG上(关于蒙太奇的更多细节,参见图)4).

2.5.行为数据分析

对于行为统计数据分析,我们应用了一个线性混合模型(LMM),包括时间(基线vs.刺激后作为时间点)、刺激类型(真实vs.伪)和 将交互作用定义为固定效果,将主体定义为随机效果。计算每个受试者的基线性能为每种tDCS蒙太奇类型(右额顶和双额)的预刺激性能的平均值。神经成像和行为数据之间的相关性使用皮尔逊相关系数。在相关分析中,行为表现变化被计算为基线后的表现差异。科恩的 采用G-power 3.1软件估计效应量。行为统计分析采用IBM SPSS 26软件。

2.6.MRI数据采集与预处理

MRI数据通过3.0 T Magnetom Siemens Prisma采集。对于sMRI数据,T1 MPRAGE序列(TR 1620 ms;TE 2.44 ms;体素的大小 mm;视场 mm;翻转角度8°;断面切片224片);rs-fMRI数据采用梯度-回声,T2回声平面成像序列(TR 850 ms;TE 35.2 ms;体素的大小 mm;FoV 208mm;翻转角度45°;80个横向切片;700扫描;在获取rs-fMRI数据的过程中,所有受试者都被要求闭上眼睛,在不入睡的情况下尽量不去想任何特定的事情。必威2490

我们用SPM12在MATLAB R2019a下运行,分析了rs-fMRI数据。数据预处理管道包括重新对齐和解曲、空间归一化和空间平滑(FWHM 5 mm)。我们使用Mask Explorer工具控制空间异常(例如,辍学)的数据[39]以及使用框架位移(FD)与准则过度运动造成的工件 小于20%的扫描(排除5名受试者)和 (如果有,通常每个会话不超过1次扫描;排除在分析之外)。对数据进行了运动效应(24个运动参数)、来自白质和脑脊液的干扰信号和高通滤波器(截止1/128 Hz)的过滤,用于网络连接分析。

2.7.MRI数据分析

对预处理后的rs-fMRI数据进行独立成分分析(ICA)。数据被分解为28个统计上独立的分量[4041(ICA空间组使用ICASSO, infomax算法,MDL准则)。ICA使用GIFT v3.0b工具箱执行[42]在MATLAB环境(MathWorks Inc., Natick, MA, US,版本R2019a)。我们手动识别了代表FPCN的空间分量,并从FPCN区域中选择局部极大值作为感兴趣的区域[36](见图5).

我们从种子位置周围的兴趣球(半径6 mm)区域提取fMRI信号,并以均值作为代表信号。为了分析连通性,我们使用了代表性信号之间的皮尔逊相关,转换为 费雪法值 -- 转换。我们的重点是刺激种子(放置在电极中心下方区域的种子)和网络种子之间的连通性。采用线性混合模型分析来评估刺激的效果、时间的影响以及它们之间的相互作用对连通性值的影响。对于所有的分析, 检验次数的修正被用作统计显著性水平。在MATLAB (R2019a)中进行分析。

3.结果

研究中应用的两种tDCS方案均具有良好的耐受性和安全性。没有参与者抱怨在刺激过程中或刺激后的皮肤疼痛或灼烧感等必威2490不良影响。一些参与者报告有轻微的瘙痒感。关于双额tDCS蒙太奇的影响,我们发现了显著的 整体精度的类型交互效应( 倾向于具有中等效应大小的活跃条件, 时间的影响( 刺激类型( 也很重要,见表2和图6


测量 tDCS设置 基线( 后( 时间的因素 价值 因子刺激类型 价值 因素交互作用 价值

精度(十进制百分比) 对frontoparietal 活跃的 ≤0.01 0.73 0.73
虚假的
Bifrontal 活跃的 0.02 0.03 0.03
虚假的
RT(女士) 对frontoparietal 活跃的 0.99 0.63 0.63
虚假的
Bifrontal 活跃的 0.87 0.98 0.76
虚假的

对于右侧额顶叶tDCS蒙太奇,VOMT的行为结果显示无显著性 整体RTs的类型交互效应( 和整体准确性( ).

基于行为学结果,我们进一步利用rs-fMRI探索双额tDCS的神经基础,如《材料与方法》中所述。我们观察到一个显著的 对阳极种子与左下顶叶(lIPL)之间rs-FC的影响(Brodmann面积40:-60 42 34), ),参见图7.在真实刺激条件下,tdcs诱导的行为和连通性变化之间的相关性不显著( ).

4.讨论

目前还没有有效的策略来减轻与年龄有关的认知衰退。我们清楚地证明,即使是将阳极放置在左侧DLPFC上的单个双额tDCS会话,加上在线认知训练,也能立即产生中等效果(效应大小为 与单独的认知训练(加上伪tDCS)相比,VWM任务表现的改善。虽然tDCS协议在老年人中的普遍有用性最近受到了挑战[30.],我们的发现与一项荟萃分析的结果一致[43表明在健康的老年人群中,前额叶tDCS对WM的总体影响是轻到中度的。有研究专门报道了在相同人群中左DLPFC tDCS对WM的疗效[293334].与我们的研究不同,这些研究中的tDCS并没有与在线认知训练配对[2933]或研究只关注tDCS的在线效果[2834].

Nissim等人最近的一项研究[13也揭示了双前额叶tDCS蒙太奇结合认知训练的积极效果。值得注意的是,作者使用了与我们的研究不同的反向电极极性(右DLPFC上的阳极)和任务诱导fMRI(两个感兴趣区域之间的beta值BOLD时间序列)而不是rs-fMRI(在我们的研究中使用)来识别参与N-back WM任务的种子之间的功能连接的显著变化。与假刺激相比,只有多次(10)次的tDCS可以提高字母N-back任务的准确性,并增加左侧DLPFC和右侧顶叶下皮层之间的功能连接[13而一次tDCS结合认知训练并没有导致显著的神经或行为后遗症[28].与多次tDCS结合认知训练的结果一致[13],我们的单疗程联合干预结果也表明,真实tDCS与假tDCS相比,额顶叶节点之间的连通性增强。我们专注于阳极种子和FPCN节点之间的rs-FC变化,这是由于单一会话联合干预造成的,我们观察到左侧功能连通性增强,而Nissim等人[13]报告了使用不同认知任务、不同蒙太奇和不同功能磁共振成像方法的多次联合干预的结果,即半球间连通性改变。换句话说,Nissim等人的研究。1328不能与我们的结果直接比较。而左侧和右侧额顶叶区域(通过磁共振成像和图论指标进行评估)都与VWM任务绩效有关[44],我们认为在我们的研究中观察到的rs-FC增强的侧向性可能是tDCS协议特有的,并由左侧阳极放置引起。

虽然我们没有观察到tdcs诱导的行为和神经变化之间的相关性,但我们已经确定,额叶和顶叶区域之间加强的交流代表了WM过程的一种可能机制,其中lDLPFC参与自上而下的注意控制[8]和顶叶区域作为WM内容的缓冲区[74546].在衰老的背景下,主要的认知大规模大脑网络显示出内部网络连接减少,这使得它们不那么明显[47].tdcs诱导的固有FPCN连通性的增加可能逆转FPCN随年龄下降的局部效率。

有趣的是,在右侧额顶叶tDCS同时进行认知训练后,没有发现任何影响。这一发现与提出的关于特定WM含量的半球特化的双重分离的假设相当不一致[4849];即,正确的DLPFC tDCS选择性地改善视觉WM,而lDLPFC刺激增强语言WM。双重分离的证据主要来自于对年轻人进行的实验[4849].由于与年龄相关的大脑网络及其节点专业化下降,外侧前额叶皮质在WM处理过程中的作用可能在老年人中有所不同[4750].虽然一些针对老年人的研究支持这一关于大脑半球特异性WM处理的假设[必威2490293334],其他研究(包括目前的研究)表明前额叶和额顶叶tDCS具有更广泛的、非特异性的作用[1323].在我们的研究中,右侧额顶叶刺激的阴性结果与Arciniega等人的结果不一致。[23可能是由于招募了另一群健康的老年人。我们包括了认知能力检查良好、表现良好的志愿者(VOMT接近天花板,约90%的准确性),而Arciniega等人[23的研究表明,只有WM能力较低的老年人从右侧刺激中受益。因此,只有更明显的缺陷和/或脑病理的受试者才可能从这种电极蒙太奇的tDCS中受益,这是合理的。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特定的tDCS蒙太奇可能在不同的受试者群体中产生最佳的后遗症这一概念[2351- - - - - -54].我们清楚地证明,即使是高表现的老年志愿者也可以从双额tDCS合并认知训练中受益,与单独认知训练(合并假tDCS)相比,这种联合干预方案可能会提高VWM任务的准确性,并潜在地增强FPCN rs-FC。我们充分意识到这项研究的一些局限性。我们的研究样本只包括受过高等教育的老年人;众所周知,这可以调节WM的改善[51],因此,我们的研究结果可能不适用于老年人的一般人群。

5.结论

这项随机对照研究表明,即使是单次双额训练,将阳极放置在左侧DLPFC上,结合认知训练,与假刺激的认知训练相比,也可以改善高表现健康老年人的VWM表现,并增强FPCN左侧额顶叶种子之间的rs-FC。未来的研究应该探索实验性认知任务的改善是否可以转移到其他任务和认知领域,并改善日常功能。使用多疗程的tDCS同时进行认知训练可能会导致持续的行为后遗症,使用精确的个体化电场建模的剂量控制tDCS可能是未来研究设计的又一进步。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。

利益冲突

作者没有实际或潜在的利益冲突。

致谢

该项目获得捷克卫生部拨款(NV18-04-00256):“经颅直流刺激对轻度认知障碍患者视觉注意力的影响——功能磁共振成像和非侵入性脑刺激联合研究”。我们感谢捷克生物成像大型RI项目(由MEYS CR资助的LM2018129)支持CEITEC的核心设施MAFIL为获得本文中所提供的科学数据提供的支持。

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