Stimolazione cerebrale e test della vista

Obbiettivo

Un modello influente di organizzazione corticale propone che il sistema visivo dei primati sia diviso in due percorsi funzionalmente distinti (Ungerleider & Mishkin, 1982). Il percorso visivo ventrale o quale, che proietta dalla corteccia occipitale nella corteccia temporale ventrale, è utilizzato principalmente per il riconoscimento e l'identificazione degli oggetti. Il percorso dorsale o dove, che proietta dalla corteccia occipitale alla corteccia parietale, è utilizzato principalmente per localizzare la posizione degli oggetti nel campo visivo e per pianificare l'azione. Nella serie di esperimenti proposta indagheremo come le rappresentazioni neurali nelle vie ventrale e dorsale contribuiscono a una serie di compiti cognitivi tra cui il riconoscimento di oggetti e scene, la selezione dell'attenzione e l'elaborazione del volto. Questi esperimenti utilizzeranno principalmente la stimolazione magnetica transcranica (TMS) o la stimolazione elettrica transcranica (tES) in combinazione con la risonanza magnetica funzionale (fMRI).

TMS e tES forniscono strumenti sperimentali unici per gli studi sulla funzione cognitiva umana perché possono essere utilizzati per interrompere o migliorare in modo transitorio e sicuro l'elaborazione neurale in una regione corticale mirata mentre i soggetti eseguono compiti comportamentali simultanei che dipendono dalle operazioni di quella regione. Inoltre TMS e tES possono essere combinati con tecniche di neuroimaging come fMRI per esaminare gli effetti remoti dell'interruzione neurale indotta in altre regioni dipendenti dall'attività distribuite attraverso la corteccia. Intendiamo utilizzare TMS e tES per affrontare domande senza risposta riguardanti il ​​funzionamento delle reti neurali distribuite per diverse categorie di riconoscimento di oggetti e nella rete di attenzione del cervello umano.

Popolazione di studio

Abbiamo in programma di testare 665 soggetti neurologicamente normali di età compresa tra i 18 ei 50 anni. I soggetti prenderanno anche parte a un esperimento fMRI prima di qualsiasi successivo esperimento TMS o tES al fine di localizzare i siti di stimolazione di interesse.

Design

Lo scopo della serie di esperimenti proposta è esaminare gli effetti dell'interruzione o del miglioramento neurale indotti da TMS e tES sulle prestazioni del compito comportamentale e sui correlati neurali delle prestazioni compromesse misurate con fMRI. In linea di massima questi esperimenti possono essere suddivisi in studi che utilizzano TMS o tES online e offline. Negli esperimenti on-line, TMS o tES saranno applicati durante compiti comportamentali. Negli esperimenti off-line, la stimolazione theta burst (TBS) o tES verrà erogata prima del compito sperimentale e gli esperimenti off-line possono combinare TBS o tES con fMRI.

1. Localizzazione del sito target TMS o tES

   Prima degli studi online e offline, i soggetti prenderanno parte a un esperimento fMRI progettato per localizzare particolari regioni corticali di interesse (ROI). L'esperimento fMRI richiederà al soggetto di visualizzare una serie di diverse categorie di oggetti (ad es. volti, corpi, scene) o sezioni tremolanti di scacchiere in bianco e nero nello scanner fMRI. I risultati di questi esperimenti di fMRI saranno usati per identificare le regioni della corteccia che saranno poi bersagliate con TMS o tES. Identificheremo i siti target TMS e tES utilizzando il software di co-registrazione stereotassico Brainsight e la posizione del cuoio capelluto sarà contrassegnata individualmente su ciascun soggetto.

2. Esperimenti di TMS comportamentale online

   Gli esperimenti TMS online sono progettati per affrontare gli effetti diretti dell'interruzione neurale indotta solo sul sito TMS mirato. TMS viene fornito durante ogni prova per valutare gli effetti sulle prestazioni delle attività simultanee. I soggetti eseguiranno una serie di compiti visivi comportamentali mentre la TMS online viene erogata sulla regione corticale di interesse o sui siti di controllo (ad es. vertice). Il TMS ripetitivo verrà erogato a una frequenza di 10 Hz per 500 ms. In alcuni esperimenti forniremo alternativamente TMS a doppio impulso a diverse latenze dopo l'insorgenza dello stimolo per valutare quando è probabile che la regione target sia coinvolta nell'esecuzione del compito.

3. Esperimenti TBS offline

   Anche gli esperimenti offline thetaburst (TBS) sono progettati per valutare gli effetti dell'interruzione indotta nella regione stimolata. Tuttavia, invece di fornire TMS durante ogni prova sperimentale, Thetaburst TMS (TBS) viene erogato sulla regione di interesse (ROI) mirata per latenze fino a 60 secondi prima che il soggetto esegua qualsiasi attività comportamentale. È stato quindi dimostrato che gli effetti neurali di questa interruzione indotta durano fino a 30 minuti (Huang et al., 2005). Negli esperimenti TBS offline proponiamo di erogare 60 secondi di TBS rispetto al ROI stimolato. In alcuni degli esperimenti proposti i partecipanti verranno quindi collocati in uno scanner fMRI prima e dopo la stimolazione TBS. Durante entrambe le sessioni fMRI i soggetti eseguiranno una serie di compiti di discriminazione visiva per valutare gli effetti dell'interruzione del TBS sia sul loro comportamento che sull'attività in aree corticali remote misurate con l'attivazione BOLD.

4. Esperimenti tES online e offline

L'impatto comportamentale di tES può essere registrato sia online che offline contemporaneamente all'interno della stessa sessione e utilizzando lo stesso protocollo. Il tES online esamina l'effetto diretto della stimolazione neurale mentre un partecipante sta eseguendo un compito (Tyler et al., 2018). A differenza della TMS, la tES online è possibile poiché gli effetti della stimolazione sottocutanea sono minori o non percepiti, non hanno alcun impatto uditivo e non richiedono il coinvolgimento dello sperimentatore. Una volta posizionati gli elettrodi di superficie, il partecipante è libero di agire in modo indipendente. tES offline esamina il corso temporale dell'impatto comportamentale dopo la stimolazione. Gli effetti offline di tES durano fino a 60 minuti dopo la stimolazione (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Possiamo erogare corrente continua o alternata tES per un massimo di 20 minuti, con un'intensità inferiore a 4 mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Misure di risultato

Le variabili dipendenti negli esperimenti TMS o tES comportamentali online saranno le misure di accuratezza delle prestazioni, sensibilità (d) e tempo di reazione (RT) raccolte durante le attività comportamentali eseguite contemporaneamente. Le variabili dipendenti negli esperimenti fMRI-TBS o fMRI-tES offline saranno le prestazioni del compito e la ridotta attività neuronale misurata dalla ridotta attivazione BOLD nelle ROI mirate e remote.