Hersenstimulatie en zichttesten

Doelstelling

Een invloedrijk model van corticale organisatie stelt voor dat het visuele systeem van primaten is verdeeld in twee functioneel verschillende paden (Ungerleider & Mishkin, 1982). Het ventrale of wat visuele pad, dat uitsteekt van de occipitale cortex in de ventrale temporale cortex, wordt voornamelijk gebruikt voor objectherkenning en -identificatie. De dorsale of where-route, die uitsteekt van de occipitale cortex in de pariëtale cortex, wordt voornamelijk gebruikt voor het lokaliseren van de positie van objecten in het gezichtsveld en voor actieplanning. In de voorgestelde reeks experimenten zullen we onderzoeken hoe neurale representaties in de ventrale en dorsale paden bijdragen aan een reeks cognitieve taken, waaronder object- en scèneherkenning, aandachtsselectie en gezichtsverwerking. Deze experimenten zullen voornamelijk gebruik maken van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) of transcraniële elektrische stimulatie (tES) in combinatie met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI).

TMS en tES bieden unieke experimentele hulpmiddelen voor studies van de menselijke cognitieve functie, omdat ze kunnen worden gebruikt om de neurale verwerking in een gerichte corticale regio tijdelijk en veilig te verstoren of te verbeteren, terwijl proefpersonen gelijktijdige gedragstaken uitvoeren die afhankelijk zijn van de activiteiten van die regio. Bovendien kunnen TMS en tES worden gecombineerd met neuroimaging-technieken zoals fMRI om de externe effecten van de geïnduceerde neurale verstoring in andere taakafhankelijke regio's verspreid over de cortex te onderzoeken. We zijn van plan om TMS en tES te gebruiken om onbeantwoorde vragen over het functioneren van de gedistribueerde neurale netwerken voor verschillende categorieën objectherkenning en in het aandachtsnetwerk van het menselijk brein aan te pakken.

Studie Bevolking

We zijn van plan om 665 neurologisch normale proefpersonen tussen 18 en 50 jaar oud te testen. Onderwerpen zullen ook deelnemen aan een fMRI-experiment voorafgaand aan eventuele volgende TMS- of tES-experimenten om de stimulatieplaatsen van belang te lokaliseren.

Ontwerp

Het doel van de voorgestelde reeks experimenten is het onderzoeken van de effecten van de TMS en tES-geïnduceerde neurale verstoring of verbetering op gedragstaakprestaties en de neurale correlaten van de verminderde prestatie zoals gemeten met fMRI. Grofweg zijn deze experimenten onder te verdelen in studies die gebruik maken van online en offline TMS of tES. In online experimenten zal TMS of tES worden toegepast tijdens gedragstaken. Bij offline experimenten wordt theta burst-stimulatie (TBS) of tES afgegeven vóór de experimentele taak en bij offline experimenten kan TBS of tES worden gecombineerd met fMRI.

1. TMS- of tES-lokalisatie van doelsites

   Voorafgaand aan zowel online als offline studies zullen proefpersonen deelnemen aan een fMRI-experiment dat is ontworpen om bepaalde corticale interessegebieden (ROI's) te lokaliseren. Het fMRI-experiment vereist dat de proefpersoon ofwel een reeks verschillende objectcategorieën (bijv. gezichten, lichamen, scènes) of flikkerende delen van zwart-wit damborden in de fMRI-scanner. De resultaten van deze fMRI-experimenten zullen worden gebruikt om cortexgebieden te identificeren waarop TMS of tES het doelwit zal zijn. We zullen TMS- en tES-doellocaties identificeren met behulp van de stereotactische Brainsight-coregistratiesoftware en de locatie van de hoofdhuid zal voor elk onderwerp afzonderlijk worden gemarkeerd.

2. Online gedragsmatige TMS-experimenten

   Online TMS-experimenten zijn ontworpen om alleen de directe effecten van de geïnduceerde neurale verstoring op de beoogde TMS-site aan te pakken. TMS wordt tijdens elke proef geleverd om de effecten op gelijktijdige taakprestaties te beoordelen. Onderwerpen zullen een reeks visuele gedragstaken uitvoeren terwijl online TMS wordt afgeleverd over het corticale gebied van interesse of over controlesites (bijv. hoekpunt). Repetitieve TMS wordt geleverd met een frequentie van 10 Hz gedurende 500 ms. In sommige experimenten zullen we als alternatief TMS met dubbele puls leveren met verschillende latenties na het begin van de stimulus om te beoordelen wanneer het beoogde gebied waarschijnlijk betrokken is bij taakuitvoering.

3. Offline TBS-experimenten

   Offline thetaburst (TBS) experimenten zijn ook ontworpen om de effecten van de geïnduceerde verstoring in het gestimuleerde gebied te beoordelen. In plaats van TMS te leveren tijdens elke experimentele proef, wordt Thetaburst TMS (TBS) echter geleverd over het beoogde interessegebied (ROI) voor latenties tot 60 seconden voordat de proefpersoon een gedragstaak uitvoert. De neurale effecten van deze geïnduceerde verstoring bleken vervolgens tot 30 minuten aan te houden (Huang et al., 2005). In de offline TBS-experimenten stellen we voor om 60 seconden van de TBS te leveren over de gestimuleerde ROI. In een aantal van de voorgestelde experimenten worden deelnemers vervolgens voor en na TBS-stimulatie in een fMRI-scanner geplaatst. Tijdens beide fMRI-sessies zullen proefpersonen een reeks visuele discriminatietaken uitvoeren om de effecten van TBS-verstoring te beoordelen, zowel op hun gedrag als op activiteit in afgelegen corticale gebieden zoals gemeten met BOLD-activering.

4. Online & offline tES-experimenten

De gedragsimpact van tES kan zowel online als offline gelijktijdig binnen dezelfde sessie en met hetzelfde protocol worden vastgelegd. Online tES onderzoekt het directe effect van neurale stimulatie terwijl een deelnemer een taak uitvoert (Tyler et al., 2018). In tegenstelling tot TMS is online tES mogelijk omdat de subcutane stimulatie-effecten gering of onopgemerkt zijn, geen auditieve impact hebben en geen tussenkomst van de experimentator vereisen. Zodra de oppervlakte-elektroden op hun plaats zitten, is de deelnemer vrij om zelfstandig te handelen. Offline tES onderzoekt het tijdsverloop van gedragsimpact na stimulatie. De offline effecten van tES duren tot 60 minuten na stimulatie (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). We mogen maximaal 20 minuten gelijk- of wisselstroom tES leveren met een intensiteit onder de 4mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Uitkomstmaatregelen

De afhankelijke variabelen in de online gedrags-TMS of tES-experimenten zijn prestatienauwkeurigheid, gevoeligheid (d ) en reactietijd (RT) metingen verzameld tijdens de gelijktijdig uitgevoerde gedragstaken. Afhankelijke variabelen in de offline fMRI-TBS- of fMRI-tES-experimenten zijn taakprestaties en verminderde neuronale activiteit zoals gemeten door verminderde BOLD-activering in de gerichte en externe ROI's.