Hjernestimulering og synstesting

Objektiv

En innflytelsesrik modell for kortikal organisering foreslår at primatens visuelle system er delt inn i to funksjonelt forskjellige veier (Ungerleider & Mishkin, 1982). Den ventrale eller hvilken visuelle banen, som projiserer fra occipital cortex inn i den ventrale temporale cortex, brukes hovedsakelig for gjenkjenning og identifikasjon av objekter. Den dorsale eller where-banen, som projiserer fra occipital cortex inn i parietal cortex, brukes hovedsakelig til å lokalisere objekters posisjon i synsfeltet og for handlingsplanlegging. I den foreslåtte serien med eksperimenter vil vi undersøke hvordan nevrale representasjoner i ventrale og dorsalveier bidrar til en rekke kognitive oppgaver, inkludert gjenkjenning av gjenstander og scener, oppmerksomhetsvalg og ansiktsbehandling. Disse eksperimentene vil hovedsakelig bruke transkraniell magnetisk stimulering (TMS) eller transkraniell elektrisk stimulering (tES) i kombinasjon med funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI).

TMS og tES gir unike eksperimentelle verktøy for studier av menneskelig kognitiv funksjon fordi de kan brukes til forbigående og trygt å forstyrre eller forbedre den nevrale behandlingen i en målrettet kortikal region mens forsøkspersonene utfører samtidige atferdsoppgaver som avhenger av operasjonene i den regionen. Videre kan TMS og tES kombineres med nevroavbildningsteknikker som fMRI for å undersøke fjerneffektene av den induserte nevrale forstyrrelsen i andre oppgaveavhengige regioner fordelt over cortex. Vi planlegger å bruke TMS og tES for å adressere ubesvarte spørsmål angående funksjonen til de distribuerte nevrale nettverkene for ulike kategorier av objektgjenkjenning og i oppmerksomhetsnettverket til den menneskelige hjernen.

Studiepopulasjon

Vi planlegger å teste 665 nevrologisk normale forsøkspersoner i alderen 18 til 50 år. Forsøkspersoner vil også delta i et fMRI-eksperiment før eventuelle påfølgende TMS- eller tES-eksperimenter for å lokalisere stimuleringsstedene av interesse.

Design

Målet med den foreslåtte serien av eksperimenter er å undersøke effekten av TMS- og tES-indusert nevrale forstyrrelser eller forbedring på atferdsoppgaveytelse og de nevrale korrelatene til den svekkede ytelsen målt med fMRI. Stort sett kan disse eksperimentene deles inn i studier som bruker online og offline TMS eller tES. I online-eksperimenter vil TMS eller tES bli brukt under atferdsoppgaver. I off-line eksperimenter vil theta burst stimulation (TBS) eller tES leveres før den eksperimentelle oppgaven og off-line eksperimenter kan kombinere TBS eller tES med fMRI.

1. TMS- eller tES-målstedlokalisering

   Før både online og offline studier vil forsøkspersoner delta i et fMRI-eksperiment designet for å lokalisere bestemte kortikale regioner av interesse (ROI). fMRI-eksperimentet vil kreve at forsøkspersonen ser enten en rekke forskjellige objektkategorier (f. ansikter, kropper, scener) eller flimrende deler av svart-hvitt sjakkbrett i fMRI-skanneren. Resultatene av disse fMRI-eksperimentene vil bli brukt til å identifisere områder av cortex som deretter vil bli målrettet med TMS eller tES. Vi vil identifisere TMS- og tES-målsteder ved å bruke den stereotaktiske Brainsight-samregistreringsprogramvaren, og hodebunnens plassering vil bli merket individuelt for hvert emne.

2. Online atferdsmessige TMS-eksperimenter

   Online TMS-eksperimenter er designet for å adressere de direkte effektene av den induserte nevrale forstyrrelsen på det målrettede TMS-nettstedet. TMS leveres under hver utprøving for å vurdere effekten på samtidig oppgaveytelse. Forsøkspersonene vil utføre en rekke visuelle atferdsoppgaver mens online TMS leveres over den kortikale regionen av interesse eller over kontrollsteder (f.eks. toppunkt). Repeterende TMS vil bli levert med en frekvens på 10Hz i 500ms. I noen eksperimenter vil vi alternativt levere dobbeltpuls-TMS ved forskjellige latenstider etter stimulusstart for å vurdere når den målrettede regionen sannsynligvis vil være involvert i oppgaveutførelse.

3. Offline TBS-eksperimenter

   Offline thetaburst (TBS) eksperimenter er også designet for å vurdere effekten av den induserte forstyrrelsen i den stimulerte regionen. Imidlertid, i stedet for å levere TMS under hver eksperimentell utprøving, leveres Thetaburst TMS (TBS) over det målrettede området av interesse (ROI) for forsinkelser opptil 60 sekunder før forsøkspersonen utfører en atferdsoppgave. De nevrale effektene av denne induserte forstyrrelsen har da vist seg å vare i opptil 30 minutter (Huang et al., 2005). I offline TBS-eksperimentene foreslår vi å levere 60 sekunder av TBS over den stimulerte ROI. I noen av de foreslåtte eksperimentene vil deltakerne deretter bli plassert i en fMRI-skanner før og etter TBS-stimulering. Under begge fMRI-øktene vil forsøkspersonene utføre en rekke visuelle diskrimineringsoppgaver for å vurdere effektene av TBS-forstyrrelser både på oppførselen deres og på aktiviteten i fjerntliggende kortikale områder, målt med FET-aktivering.

4. Online og offline tES-eksperimenter

Atferdsmessig påvirkning av tES kan registreres både online og offline samtidig innenfor samme økt og ved hjelp av samme protokoll. Online tES undersøker den direkte effekten av nevral stimulering mens en deltaker utfører en oppgave (Tyler et al., 2018). I motsetning til TMS, er online tES mulig ettersom de subkutane stimuleringseffektene er små eller uoppfattede, har ingen auditiv påvirkning og krever ingen eksperimenter involvering. Når overflateelektrodene er på plass, står deltakeren fritt til å handle uavhengig. Offline tES undersøker tidsforløpet for atferdspåvirkning etter stimulering. Offline-effektene av tES varer opptil 60 minutter etter stimulering (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Vi kan levere enten like- eller vekselstrøm tES i maksimalt 20 minutter, med en intensitet under 4mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Utfallsmål

De avhengige variablene i de nettbaserte atferdsmessige TMS- eller tES-eksperimentene vil være ytelsesnøyaktighet, sensitivitet (d ) og reaksjonstid (RT) målinger samlet inn under samtidig utførte atferdsoppgaver. Avhengige variabler i offline fMRI-TBS- eller fMRI-tES-eksperimentene vil være oppgaveytelse samt redusert nevronal aktivitet målt ved redusert BOLD-aktivering i målrettede og eksterne ROI-er.