Estimulación cerebral y pruebas de visión

Objetivo

Un influyente modelo de organización cortical propone que el sistema visual de los primates se divide en dos vías funcionalmente distintas (Ungerleider y Mishkin, 1982). La vía visual ventral o qué, que se proyecta desde la corteza occipital hacia la corteza temporal ventral, se utiliza principalmente para el reconocimiento y la identificación de objetos. La vía dorsal o donde, que se proyecta desde la corteza occipital hacia la corteza parietal, se utiliza principalmente para localizar la posición de los objetos en el campo visual y para la planificación de acciones. En la serie de experimentos propuesta, investigaremos cómo las representaciones neuronales en las vías ventral y dorsal contribuyen a una variedad de tareas cognitivas que incluyen el reconocimiento de objetos y escenas, la selección atencional y el procesamiento de rostros. Estos experimentos utilizarán principalmente estimulación magnética transcraneal (TMS) o estimulación eléctrica transcraneal (tES) en combinación con imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI).

TMS y tES proporcionan herramientas experimentales únicas para los estudios de la función cognitiva humana porque se pueden utilizar para interrumpir o mejorar de forma transitoria y segura el procesamiento neuronal en una región cortical objetivo mientras los sujetos realizan tareas conductuales simultáneas que dependen de las operaciones de esa región. Además, TMS y tES se pueden combinar con técnicas de neuroimagen como fMRI para examinar los efectos remotos de la interrupción neuronal inducida en otras regiones dependientes de la tarea distribuidas a lo largo de la corteza. Planeamos usar TMS y tES para abordar preguntas sin respuesta sobre el funcionamiento de las redes neuronales distribuidas para diferentes categorías de reconocimiento de objetos y en la red de atención del cerebro humano.

Población de estudio

Planeamos evaluar a 665 sujetos neurológicamente normales de entre 18 y 50 años. Los sujetos también participarán en un experimento de fMRI antes de cualquier experimento posterior de TMS o tES para localizar los sitios de estimulación de interés.

Diseño

El objetivo de la serie propuesta de experimentos es examinar los efectos de la interrupción o mejora neuronal inducida por TMS y tES en el rendimiento de tareas conductuales y los correlatos neuronales del rendimiento deteriorado medido con fMRI. En términos generales, estos experimentos se pueden dividir en estudios que utilizan TMS o tES en línea y fuera de línea. En los experimentos en línea, TMS o tES se aplicarán durante las tareas de comportamiento. En los experimentos fuera de línea, la estimulación de explosión theta (TBS) o tES se entregará antes de la tarea experimental y los experimentos fuera de línea pueden combinar TBS o tES con fMRI.

1. Localización del sitio de destino de TMS o tES

   Antes de los estudios en línea y fuera de línea, los sujetos participarán en un experimento de fMRI diseñado para localizar regiones corticales de interés (ROI) particulares. El experimento fMRI requerirá que el sujeto vea una serie de diferentes categorías de objetos (p. caras, cuerpos, escenas) o secciones parpadeantes de tableros de ajedrez en blanco y negro en el escáner fMRI. Los resultados de estos experimentos de fMRI se utilizarán para identificar regiones de la corteza que luego serán atacadas con TMS o tES. Identificaremos los sitios objetivo de TMS y tES utilizando el software de registro conjunto estereotáxico Brainsight y la ubicación del cuero cabelludo se marcará individualmente en cada sujeto.

2. Experimentos de TMS de comportamiento en línea

   Los experimentos de TMS en línea están diseñados para abordar los efectos directos de la interrupción neuronal inducida solo en el sitio de TMS objetivo. TMS se entrega durante cada prueba para evaluar los efectos en el desempeño de tareas simultáneas. Los sujetos realizarán una variedad de tareas de comportamiento visual mientras se administra TMS en línea sobre la región cortical de interés o sobre los sitios de control (p. vértice). El TMS repetitivo se entregará a una frecuencia de 10 Hz durante 500 ms. En algunos experimentos, entregaremos alternativamente TMS de doble pulso en diferentes latencias después del inicio del estímulo para evaluar cuándo es probable que la región objetivo esté involucrada en el desempeño de la tarea.

3. Experimentos TBS fuera de línea

   Los experimentos fuera de línea thetaburst (TBS) también están diseñados para evaluar los efectos de la interrupción inducida en la región estimulada. Sin embargo, en lugar de entregar TMS durante cada prueba experimental, Thetaburst TMS (TBS) se entrega sobre la región de interés (ROI) objetivo durante latencias de hasta 60 segundos antes de que el sujeto realice cualquier tarea conductual. Se ha demostrado que los efectos neuronales de esta interrupción inducida duran hasta 30 minutos (Huang et al., 2005). En los experimentos de TBS fuera de línea, proponemos entregar 60 segundos de TBS sobre el ROI estimulado. En algunos de los experimentos propuestos, los participantes serán colocados en un escáner fMRI antes y después de la estimulación con TBS. Durante ambas sesiones de fMRI, los sujetos realizarán una serie de tareas de discriminación visual para evaluar los efectos de la interrupción de TBS tanto en su comportamiento como en la actividad en áreas corticales remotas, según lo medido con la activación BOLD.

4. Experimentos tES en línea y fuera de línea

El impacto conductual de tES se puede registrar tanto en línea como fuera de línea simultáneamente dentro de la misma sesión y utilizando el mismo protocolo. tES en línea examina el efecto directo de la estimulación neuronal mientras un participante realiza una tarea (Tyler et al., 2018). A diferencia de TMS, tES en línea es posible ya que los efectos de la estimulación subcutánea son menores o no se perciben, no tienen impacto auditivo y no requieren la participación del experimentador. Una vez que los electrodos de superficie están en su lugar, el participante es libre de actuar de forma independiente. tES fuera de línea examina el curso temporal del impacto conductual después de la estimulación. Los efectos fuera de línea de tES duran hasta 60 minutos después de la estimulación (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Podemos suministrar tES de corriente continua o alterna durante un máximo de 20 minutos, a una intensidad inferior a 4 mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Medidas de resultado

Las variables dependientes en los experimentos TMS conductuales en línea o tES serán medidas de precisión de rendimiento, sensibilidad (d ) y tiempo de reacción (RT) recopiladas durante las tareas conductuales realizadas simultáneamente. Las variables dependientes en los experimentos fuera de línea fMRI-TBS o fMRI-tES serán el rendimiento de la tarea, así como la reducción de la actividad neuronal, medida por la disminución de la activación de BOLD en los ROI remotos y dirigidos.