Mozková stimulace a testování zraku

Objektivní

Vlivný model kortikální organizace navrhuje, že zrakový systém primátů je rozdělen do dvou funkčně odlišných cest (Ungerleider & Mishkin, 1982). Ventrální neboli jaká zraková dráha, která vyčnívá z okcipitální kůry do ventrálního temporálního kortexu, se v zásadě používá k rozpoznání a identifikaci objektů. Dorzální neboli kde dráha, která vyčnívá z okcipitálního kortexu do parietálního kortexu, se v zásadě používá pro lokalizaci polohy objektů v zorném poli a pro plánování akcí. V navrhované sérii experimentů budeme zkoumat, jak neurální reprezentace ve ventrálních a dorzálních drahách přispívají k řadě kognitivních úkolů včetně rozpoznávání objektů a scén, výběru pozornosti a zpracování obličeje. Tyto experimenty budou využívat především transkraniální magnetickou stimulaci (TMS) nebo transkraniální elektrickou stimulaci (tES) v kombinaci s funkční magnetickou rezonancí (fMRI).

TMS a tES poskytují jedinečné experimentální nástroje pro studium lidských kognitivních funkcí, protože je lze použít k přechodnému a bezpečnému narušení nebo posílení nervového zpracování v cílené kortikální oblasti, zatímco subjekty provádějí souběžné behaviorální úkoly, které závisí na operacích v této oblasti. Kromě toho mohou být TMS a tES kombinovány s technikami neurozobrazení, jako je fMRI, aby se prozkoumaly vzdálené účinky indukovaného nervového narušení v jiných oblastech závislých na úkolu distribuovaných napříč kůrou. Plánujeme použít TMS a tES k řešení nezodpovězených otázek týkajících se fungování distribuovaných neuronových sítí pro různé kategorie rozpoznávání objektů a v síti pozornosti lidského mozku.

Studijní populace

Plánujeme otestovat 665 neurologicky normálních jedinců ve věku 18 až 50 let. Subjekty se také zúčastní experimentu fMRI před jakýmikoli následnými experimenty TMS nebo tES, aby lokalizovali zájmová stimulační místa.

Design

Cílem navrhované série experimentů je prozkoumat účinky TMS a tES indukovaného neurálního rozrušení nebo zesílení na výkon behaviorálních úkolů a neurální koreláty zhoršeného výkonu měřené pomocí fMRI. Obecně lze tyto experimenty rozdělit na studie, které využívají online a offline TMS nebo tES. V on-line experimentech budou TMS nebo tES aplikovány během behaviorálních úloh. V off-line experimentech bude stimulace theta burstem (TBS) nebo tES aplikována před experimentální úlohou a off-line experimenty mohou kombinovat TBS nebo tES s fMRI.

1. Lokalizace cílového místa TMS nebo tES

   Před online i offline studiemi se subjekty zúčastní experimentu fMRI navrženého k lokalizaci konkrétních kortikálních oblastí zájmu (ROI). Experiment fMRI bude vyžadovat, aby subjekt prohlížel buď řadu různých kategorií objektů (např. tváře, těla, scény) nebo blikající části černobílých šachovnic ve skeneru fMRI. Výsledky těchto fMRI experimentů budou použity k identifikaci oblastí mozkové kůry, které budou poté cíleny pomocí TMS nebo tES. Identifikujeme cílová místa TMS a tES pomocí stereotaktického koregistračního softwaru Brainsight a umístění pokožky hlavy bude označeno individuálně u každého subjektu.

2. Online behaviorální experimenty TMS

   Online experimenty TMS jsou navrženy tak, aby se zabývaly přímými účinky indukovaného nervového narušení pouze na cílené místo TMS. TMS je dodáván během každé zkoušky, aby se posoudily účinky na výkon souběžných úkolů. Subjekty budou provádět řadu vizuálních behaviorálních úkolů, zatímco online TMS je dodáván přes kortikální oblast zájmu nebo přes kontrolní místa (např. vrchol). Opakované TMS bude dodáváno na frekvenci 10 Hz po dobu 500 ms. V některých experimentech budeme alternativně dodávat dvojitý puls TMS v různých latencích po začátku stimulu, abychom vyhodnotili, kdy je cílová oblast pravděpodobně zapojena do plnění úkolu.

3. Offline experimenty TBS

   Offline experimenty thetaburst (TBS) jsou také navrženy k posouzení účinků indukovaného narušení ve stimulované oblasti. Namísto dodávání TMS během každého experimentálního pokusu se však Thetaburst TMS (TBS) dodává přes cílovou oblast zájmu (ROI) po dobu latence až 60 sekund před tím, než subjekt provede jakýkoli behaviorální úkol. Ukázalo se, že nervové účinky tohoto indukovaného narušení trvají až 30 minut (Huang et al., 2005). V offline experimentech TBS navrhujeme dodat 60 sekund TBS přes stimulovanou ROI. V některých z navrhovaných experimentů budou účastníci poté umístěni do skeneru fMRI před a po stimulaci TBS. Během obou relací fMRI budou subjekty provádět řadu úkolů zrakové diskriminace, aby posoudily účinky narušení TBS jak na jejich chování, tak na aktivitu ve vzdálených kortikálních oblastech, měřeno aktivací BOLD.

4. Online a offline experimenty tES

Behaviorální dopad tES lze zaznamenávat online i offline současně v rámci stejné relace a pomocí stejného protokolu. Online tES zkoumá přímý účinek nervové stimulace, když účastník plní úkol (Tyler et al., 2018). Na rozdíl od TMS je online tES možný, protože účinky subkutánní stimulace jsou malé nebo nevnímané, nemají žádný sluchový dopad a nevyžadují zapojení experimentátora. Jakmile jsou povrchové elektrody na svém místě, může účastník jednat nezávisle. Offline tES zkoumá časový průběh dopadu na chování po stimulaci. Offline účinky tES trvají až 60 minut po stimulaci (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Můžeme dodávat buď stejnosměrný nebo střídavý proud tES po dobu maximálně 20 minut, při intenzitě pod 4 mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Měření výsledku

Závislými proměnnými v online behaviorálních experimentech TMS nebo tES budou měření přesnosti výkonu, citlivosti (d) a reakční doby (RT) shromážděné během souběžně prováděných behaviorálních úkolů. Závislými proměnnými v offline experimentech fMRI-TBS nebo fMRI-tES budou výkon úkolu a také snížená neuronální aktivita měřená sníženou aktivací BOLD v cílených a vzdálených ROI.