脳波シータ/ベータ比と認知制御に対するカフェインの影響

背景と研究目的

認知制御は、認知機能の重要な部分であり、刺激駆動型の自動プロセスに対するトップダウンの目標駆動型制御を可能にします。 脳の前頭前皮質 (PFC) は、目標主導型注意、作業記憶、感情調節など、認知制御の多くの側面で重要な役割を果たしている可能性があります。 認知制御を調べる以前の脳波研究は、PFC を介した認知制御の潜在的な電気生理学的マーカーを特定しました。 これらの研究では、EEG で測定されたシータ脳振動とベータ脳振動の比率が、ADHD の子供 (一般的に認知制御が不十分な人) と、注意制御が不十分な選択されていない成人で上昇していることがわかりました。 このシータ/ベータ比 (TBR) は、前頭前野の脳活動がより多くの後部および皮質下の脳領域に対する調節制御を示す程度を反映すると考えられており、この測定値は、以下のような認知制御不良に関連する障害の診断と治療に役立ちます。 ADHD。

本研究では、研究者は、参加者にカフェインを投与することにより、認知制御の電気生理学的マーカーとして TBR をさらに検証する新しい方法を提案しています。 カフェインは認知制御のさまざまな側面を改善することが広く知られています.

重要なことに、認知制御は、タスク関連の表現の維持とこれらの表現の柔軟な更新の両方から恩恵を受けます。 これらの認知制御機能は、脳の多少異なる領域に依存している可能性があります。 つまり、タスク関連の表現の維持は PFC 機能により依存している可能性がありますが、これらの表現の柔軟な更新は線条体のドーパミン作動性活動により依存している可能性があります。 したがって、PFC活動のマーカーとしてのシータ/ベータ比は、タスクに関連した情報の維持を具体的に反映している可能性があり、このEEG測定値を線条体ドーパミン活動の測定値と対比すると、TBRの性質がより明らかになる可能性があります. 本研究では、ドーパミン作動性線条体活動に敏感であることが示されている自発瞬目率 (EBR) を測定することによって、研究者はこれを行います。

本研究の最初の目的は、健康な参加者にカフェインを投与することにより、PFC を介した認知制御の電気生理学的マーカーとしてシータ/ベータ比 (TBR) をさらに検証することです。 研究者らは、(1a) シータ/ベータ比は、認知制御パフォーマンス (注意の焦点、注意のシフト、作業記憶; TACT および N-back で測定; おそらく主に TACT フォーカスのパフォーマンスに関連する) に反比例すると予想しています)、(1b) カフェイン(1c) カフェインはシータ/ベータ比を低下させ、(1d) 認知能力に対するカフェインのこれらの有益な効果は、このシータ/ベータ比の低下によって媒介される.

この研究の 2 番目の目的は、TBR と EBR が認知制御に対するカフェインの影響を緩和するかどうかを調べることです。 つまり、これらの測定値はさまざまな脳領域の活動を反映している可能性が高いため、ベースライン活動に応じてカフェインの異なる (おそらく逆 U 字型の) 影響を予測する可能性があります。 たとえば、カフェインの消費による線条体ドーパミンの増加は、最初の線条体ドーパミン作動性活動 (ベースライン EBR に反映される) がそもそも高すぎない場合にのみ有益である可能性があります。認知の柔軟性の向上よりも。 そのため、研究者は、(2a) ベースライン TBR が認知制御パフォーマンス (おそらく主に TACT フォーカスパフォーマンス) に対するカフェインの影響を緩和し、(2b) ベースライン EBR が認知制御機能に対するカフェインの影響を緩和する (おそらく主に主に) と予想しています。タクト変速性能）。

本研究の 3 番目の目的は、カフェインの感情処理への影響と、ここでの TBR の役割を調べることです。 重要なことに、カフェインは伝統的に、特に高用量で、脅威に関連する処理と不安を増加させると考えられてきました. しかし、少量のカフェインが実際に抗不安作用を示す可能性があることを示す動物実験が増えています. 部分的には、これは認知能力と注意力の制御能力の向上によるものかもしれません。 つまり、複雑ではあるが、不安と注意制御は相互に影響しあっている。 不安は、脅威に関連する処理に対する警戒を高める可能性がありますが、注意制御機能はこれを防ぐ可能性があります. カフェインの最適な用量は、理論的には、脅威に関連する情報の過剰処理を減らす程度まで、注意力の制御を高めることができます. しかし、ドーパミン、ノルアドレナリン、およびカフェインの用量依存効果は、この最適な用量がこれらの伝達物質の基礎レベルに依存し、したがってドーパミンおよびノルアドレナリン活性の増加に関連する不安に依存する可能性があると予測しています. 不安（の注意症状）の予防薬としてのカフェインの適度な用量の潜在的な有用性は、そのような不安の緩和効果の可能性に大きく依存する可能性があります. 本研究では、研究者は、感情処理に対するカフェインの影響における特性不安の緩和効果を考慮して、この関係を調べました。 研究者は、(3a) より高い TBR は EST への干渉の増加に関連し、(3b) 適度な量のカフェインは EST への感情的干渉を減少させ、(3c) 感情的干渉に対するカフェインの影響は、 TBRの変化、および（3d）感情的干渉に対するカフェインの影響は、特性不安の個人差によって緩和される.

特性不安は、TBR と AC の関係を調べる分析の共変量として追加される STAI-t を使用した自己報告によって測定されます。 最後に、この研究では、研究者は、カフェイン消費と認知制御との関係における他のいくつかの交絡因子の可能性を探ります.

研究デザイン

二重盲検、無作為化、プラセボ対照、クロスオーバー試験。 最初のトレーニング セッションの後、参加者は約 1 週間の間隔をあけて 2 回ラボを訪れます。 これらの 2 つのラボ セッションでは、参加者は 200 mg の純粋なカフェインを含む 1 つのカプセル (約 2 杯のコーヒーに含まれるカフェイン量と同量) と、プラセボ フィラー物質を含む 1 つのカプセル (無作為化および二重盲検投与) を経口摂取します。 カプセル割り当ての盲検化と無作為化は、ライデン大学医療センター (LUMC) の薬局によって行われます。

参加者

40 人の健康な女性ボランティア (18 ～ 26 歳) がこの研究に参加します。 参加者は、カフェインの消費に対してかなりナイーブであり (1 日あたり 100mg 以下のカフェイン、または約 1 杯のコーヒーを飲む)、ラボ セッションの開始前の 12 時間はカフェインとアルコールの消費を控えるよう求められます。 参加者は、さまざまな広告 (大学キャンパスなど) を通じてライデン大学で募集された学生になります。 研究を辞退した参加者は、可能であれば、無作為に選択された別の参加者に置き換えられます。 そのような代替参加者のために、LUMC 薬剤​​師は、交換する元の参加者と同じ順序でプラセボとカフェインを含む盲検カプセルを用意しました。

手順

オンラインでのスクリーニング手順の後、適格な参加者は 3 つの別々の日に同時にテストされます。 テスト セッションは 10:00 から 17:00 の間に行われ、セッションあたり約 2 時間続きます。 参加者は、実験開始の 12 時間前からアルコールとカフェインの摂取を控えるよう求められます。 最初のテスト (トレーニング) 日に、参加者は、人口統計、注意制御の特性レベル (ACS)、特性不安レベル (STAI 特性サブスケール)、習慣的眠気 (ESS)、および ADHD 症状 (ADHD 評価尺度-IV) を評価するアンケートに記入します。 . さらに、安静時のEEG（開眼/閉眼の1分間のブロックを交互に8分間）および自発EBR（4分間の開眼1ブロック）を測定します。 さらに、参加者は認知課題 (TACT; N-Back; EST) に慣れます。 参加者は、後続のテスト セッションで新規性または学習効果を減らすためにこれらの措置を完了します。 テストの各日、状態アンケート (現在の眠気、KSS、注意制御、VAS、および不安、STAI 状態サブスケール) は、各 4 分 (EBR) と 8 分 (EEG) のベースライン測定の間、および 1 日の終わりに実施されます。 (すなわち、トレーニングの最初の日に 2 回投与し、2/3 の消費日に 3 回投与する)。

2 回目の試験日は、1 回目の試験日から約 1 週間後です。 カプセルを消費する前に、EEG と EBR を測定します。 その後、参加者は、カフェイン (200mg) またはプラセボ (二重盲検、無作為投与) のいずれかを含むカプセルを受け取ります。 30 分間の休憩の後 (カフェインが活性化するまでに約 30 分かかるため)、EBR と EEG を再度測定します。 最後に、参加者は初日に完了したのと同じ認知課題を完了します。

試験3日目には、残りのカフェイン（200mg）またはプラセボカプセルを投与することを除いて、2日目の試験プロトコルを繰り返す。

認知制御タスク

すべての認知課題 (TACT; N-Back; Emotional Stroop Task) は、E-Prime (v2.0) を使用してコンピューター上でプログラムおよび完了されます。 以下に、認知制御タスクについて説明します。

1. 2 要素注意制御タスク (TACT): TACT は、注意の集中と注意のシフトを測定することを目的としたグローバル/ローカル合同タスクです。 このタスクでは、参加者は、同じ (合同) または反対 (不一致) の方向を指しているいくつかの小さな矢印で構成される大きな矢印を表示されます。 参加者は、大きな矢印または小さな矢印の方向にできるだけ早く反応し、多くのミスをしないように指示されます。 利き手の人差し指と中指を使用して、キーボードの左矢印キーまたは右矢印キーを押すことで、これを行うことができます。 矢印が表示される前に、参加者には 500 ミリ秒の間灰色の画面が表示され、その後 500 ミリ秒の間、青色の「大」または黄色の「小」という単語が表示されます。これは、参加者がどの矢印に応答する必要があるかを示します。 250 ミリ秒の灰色の画面の後、矢印が画面の中央に表示され、2000 ミリ秒後または応答が与えられると消えます。 試行ごとに、矢印はわずかに異なる位置に表示され、参加者が画面上のいくつかのピクセルに固執するのではなく、矢印を見るようにします (理論的には、矢印の方向を識別するのに十分である可能性があります)。

   タスクの注意の焦点の部分では、参加者はそれぞれ 52 回の試行の 2 つのブロックを完了します。 1 つのブロックの参加者は大きな矢印の方向にのみ反応し、別のブロックの参加者は小さな矢印の方向にのみ反応します。 TACT フォーカス パフォーマンスは、一致しない試験 (つまり、参加者が気晴らしへの反応を抑制しなければならない試験) の RT から合同試験 (つまり、出席していない矢印の気晴らしの抑制が必要ない試験) の RT を差し引くことによって測定されます。不在矢印)。 そのため、RT の差が小さいほど、フォーカス パフォーマンスが優れていることを示します。 タスクの注意シフト部分では、参加者は 120 試行の 2 つのブロックを完了し、1 分間の休憩で区切られ、参加者が応答しなければならない矢印の方向が 6 回の試行ごとに変化します (つまり、合計で 40 シフト)。 . タクト シフト パフォーマンスは、注意シフト後の最初の 2 つの試験の RT から、注意シフトの前の最後の 2 つの試験の RT を差し引くことによって計算されます (つまり、参加者が大きな矢印から小さな矢印に、またはその逆に注意を移した試験)。 したがって、RT の差が小さいほど、シフト性能が優れていることを示します。 シフトの前後の 2 つの試行は常に一致しないため、このタスクの難易度が高くなります (したがって、シフト コストも高くなる可能性があります)。 フォーカス ブロックの順序 (すなわち、最初に大きな矢印または小さな矢印)、および最初にフォーカス ブロックまたはシフト ブロックを完了する順序は、参加者間で相殺されます。 参加者が誤った回答をしたり、回答が遅かったり早かったりする試験は、それ以上分析されません。

2. N バック タスク: N バック タスクは、さまざまな作業記憶プロセスを評価するタスクです。 N-Back タスクでは、参加者は順番に文字を表示されます。 参加者は、キーボードの 1 (「同じ文字」) または 2 (「異なる文字」) を使用して、現在の文字が n か所前に表示された文字と一致するかどうかを示す必要があります。 カフェインが 3-back タスクのパフォーマンスに最も大きな影響を与える可能性が高く、1-back と 2-back のタスク パフォーマンスに大きく異なる影響を与えない可能性があるため、1-back と 3-back のタスクが管理されました。 n-back 条件ごとに、合計 75 文字が表示され、そのうち 25 (33%) がヒット (すなわち、n 場所前に表示された試行) です。 各ブロックの最初の 3 回の試行は決してターゲットになりません。 各文字は 500 ミリ秒表示され、その後 1500 ミリ秒の空白の画面が続きます。 参加者は、この 2000 ミリ秒間隔全体でレターに返信できます。 各 n-back 条件の前に、参加者は (トレーニング日に研究者の監督の下で) タスクの指示と例を受け取り、21 のトレーニング トライアル (7 ヒット トライアル) を完了して、タスクを理解していることを確認します。 1バック完走と3バック完走の順番は、参加者のカウンターバランスとなります。 パフォーマンスは、精度スコア (% 正解) を調べることと、正解した試験の RT を調べることによって測定されます。
3. 感情ストループ タスク (EST): EST は、従来のストループ タスクの変形です (参加者は、別の色の名前で印刷された単語の色に名前を付ける必要があります。 青インクで書かれた「赤」という言葉の色に名前を付ける）。 ESTでは、色付きの正方形が重ねられた感情的な写真が表示されます。 参加者は正方形の色に反応する必要があり、そのため、写真の気を散らす影響を抑制しなければなりません。 写真は IAPS データベースから選択され、バランスと覚醒の評価に基づいて選択され、ニュートラル、ネガティブ、ポジティブの 3 つの写真条件を表します。 画像条件ごとに、4 つの画像 (毎回異なる場所にある正方形: 上または下 x 左または右) が 8 回表示されます (つまり、条件ごとに 32 試行、合計で 96 試行)。 正方形の色は、試行ごとに 3 つの可能なオプション (赤、黄、または青) からランダムに選択されます。 各試行中、最初に画像が 200 ミリ秒間表示され、その後、この画像の 4 つの可能な位置のいずれかに色付きの正方形が重ねられます。 参加者は、正方形の色に応答するために 1800 ミリ秒を取得します。これは、標準の応答ボックスの色付きのボタンを使用して行うことができます。 次に、2000ms の灰色の画面が表示され、その後に次の画像が表示されます。 実際のタスクの前に、参加者はニュートラルな写真が表示される 24 の練習試験を完了します。 Emotional Stroop Task のパフォーマンスは、正答試験で中立条件試験の RT と比較して、負および正条件試験の RT を調べることによって測定されます。

アンケート

すべての特性アンケート (ACS; STAI-t; ADHD 評価尺度-IV; ESS) は、E-Prime (v2.0) を使用してコンピューター上でプログラムおよび完了されます。 州のアンケート (STAI-s; VAS AC-s; KSS) は、ペンと紙を使用して記入します。 質問事項は以下のとおりです。

1. Attentional Control Scale (ACS): ACS の修正されたオランダ語訳が参加者に投与されます。 ACS は、注意の変化 (例: 「あるタスクから別のタスクに素早く切り替えることができる」)、注意の焦点 (例: 「音楽が流れていても、私の集中力は良好です」自分の周りに余裕がある」) と柔軟な思考 (例: 「新しいアイデアをすぐに思いつくのが苦手だ」)。 参加者は、1 (「ほとんどない」) から 4 (「常に」) までの範囲の 4 段階の尺度で、ステートメントが注意制御をどの程度反映しているかを示す必要があります。
2. State-Trait Anxiety Index (trait subscale; STAI-t): オランダの STAI の特性スケールは、特性不安を測定する 20 の項目で構成されています (例: 「本当にどうでもいいことを心配しすぎている」)。 参加者は、1 (「ほとんどない」) から 4 (「ほとんどいつも」) までの 4 段階の評価スケールを使用して、これらの項目に回答できます。
3. ADHD評価尺度-IV: ADHD評価尺度-IVの修正されたオランダ語訳が参加者に投与されます。 このアンケートは、多動性/衝動性 (例: 「落ち着かない」) および不注意 (例: 「すぐに気が散る」) の ADHD 症状を測定する 23 項目で構成されています。 参加者は、過去 6 か月間に項目がどの程度適用されたかを、0 (「まったくまたはほとんどない」) から 3 (「非常に頻繁に」) のスケールで評価するよう求められます。
4. エプワース眠気尺度 (ESS): ESS は、習慣的な眠気の尺度として使用されます。 ESS では、参加者は 8 つの通常の状況と最近の状況 (「テレビを見ている間」など) で居眠りをする可能性を 0 (「決して居眠りしない」) から 3 ( 「居眠りの可能性大」）。
5. State-Trait Anxiety Index (状態サブスケール; STAI-s): オランダの STAI の状態スケールは、参加者が現時点でどの程度不安を感じているかを測定する 20 項目で構成されています (例: 「落ち着いている」、「心配している」など)。 参加者は、1 (「まったくそうではない」) から 4 (「かなり」) までの 4 段階の評価スケールを使用して、これらの項目に回答できます。
6. Karolinska Sleepiness Scale (KSS): KSS は、主観的で瞬間的な眠気を評価する 9 ポイントの VAS です。 参加者は、1 (「非常に警戒」) から 9 (「非常に眠い (戦闘睡眠)」) までの尺度で、どれほど覚醒しているか眠気があるかを報告するよう求められます。
7. VAS AC-s: VAS 注意制御尺度は、参加者の現在の注意制御の感覚を評価する 6 つの項目で構成されています (例: 「集中できません」）。 参加者は、アイテムが現在の注意制御をどの程度反映しているかを示すために、100 mm の線をマークし、左右に「まったくない」と「かなり」を固定する必要があります。

EBRおよびEEG測定

1. 自発的まばたき率 (EBR): 自発的 EBR は 4 分で収集されます。 目の上下に配置された2つの電極間の電圧差を記録する垂直EOGを使用した開眼ブロック。 この4分で。 インターバルの間、参加者はリラックスした状態で部屋の中心点を見るように求められます。 個々の EBR は、4 分間のまばたきの総数で割ることによって計算されます。 間隔は 4 です。
2. 自発脳波: 自発脳波は 8 分間記録されます。 目を開けた/目を閉じた記録の1分間のブロックを交互に連続して。 ＥＥＧ記録は、ＡｃｔｉｖｅＴｗｏ ＢｉｏＳｅｍｉシステムを使用して、国際１０／２０システムに従って配置された１６個の電極を使用して頭皮全体で取得される。 左右のマストイドに電極を配置して、頭皮信号をマストイド信号の平均値にオフラインで再参照します。 目とまばたきの動きを測定するには、眼電図 (EOG) 電極を左目 (垂直 EOG) と各目の外眼角 (水平 EOG) の上下に配置します。 オフライン データ処理は、Brain Vision Analyzer V2.02 で行われます。 0.1 Hz のハイパス フィルター、100 Hz のローパス フィルター、50 Hz のノッチ フィルターが適用されます。 データは 4 秒のセグメントで分析されます。 データは眼のアーティファクトに対して自動的に修正され、残りのアーティファクトを含むセグメントは削除されます。 高速フーリエ変換 (解像度 0.25 Hz、ハミング ウィンドウ 10% を使用) を適用して、ベータ (13 ～ 30 Hz) およびシータ (4 ～ 7 Hz) 周波数帯域の面積電力密度を計算します。 3 つの前頭電極の電力密度は、前頭ベータおよび前頭シータ電力密度の測定値に平均化され、シータ/ベータ比を計算するために使用されます。これは、非正規性の場合に対数変換されます。

情報処理

各認知タスクの外れ値の除去は、参加者ごとに試行ごとに行われます (ありそうにない高速および/または低速の応答を除く)。 最初に大まかな RT 除去が適用され、その後、範囲外の試験のより洗練された除去が行われます。 これらのタスクに関する以前の調査に基づいて、次のトライアルが削除されます。

1. TACT: 200ms より速いか 1200ms より遅い試行。その後、そのタスクの平均 RT の 2.5 SD より速くまたは遅く完了した試行は削除されます。
2. N-Back: 300ms より速い試行は削除されます。
3. EST: 300 ミリ秒より速いか 1200 ミリ秒より遅いトライアル。その後、そのタスクの平均 RT の 2.5 SD より速くまたは遅く完了したトライアルは削除されます。

TBR と EBR が経時的に安定しているという証拠がいくつかあり、これは、これらのマーカーが安定した特性のような神経プロセスを反映しているという考えに一致しています。 ただし、これらの措置に対する州に依存する状況の影響は、まだ完全には理解されていません。 本研究では、ベースラインの TBR と EBR がテストの各日に測定されますが、これらの TBR の 1 つと EBR ベースラインの測定値の 1 つだけが、緩和分析で特性のような神経マーカーとして使用されます。 モデレーション分析で使用されるこれらのベースライン メジャーの選択は、次のルールに基づいています。

1. 1 日目の TBR または EBR ベースライン測定値が 2 日目および 3 日目の対応するベースライン測定値と非常に類似している (平均比較および/または相関) ことを調査員が発見した場合、1 日目のベースライン測定値が緩和分析に使用されます。
2. 1 日目の TBR または EBR ベースライン測定値が 2 日目または 3 日目の対応するベースライン測定値と大きく異なることが調査員によって判明した場合、1 日目のベースライン測定値が緩和分析に使用されます。
3. 1日目、2日目、3日目のTBRまたはEBRベースライン測定値がすべて互いに大きく異なることが調査員によって判明した場合、1日目のベースライン測定値が緩和分析に使用されます。
4. 2 日目と 3 日目の TBR または EBR ベースライン測定値が非常に似ているが、1 日目の対応するベースライン測定値と大きく異なることが調査員によって判明した場合、2 日目と 3 日目の平均ベースライン測定値が緩和分析に使用されます。