Stymulacja mózgu i badanie wzroku

Cel

Wpływowy model organizacji korowej sugeruje, że układ wzrokowy naczelnych jest podzielony na dwie funkcjonalnie odrębne ścieżki (Ungerleider i Mishkin, 1982). Ścieżka brzuszna lub jaka ścieżka wzrokowa, która wystaje z kory potylicznej do brzusznej kory skroniowej, jest używana głównie do rozpoznawania i identyfikacji obiektów. Ścieżka grzbietowa lub gdzie, która wystaje z kory potylicznej do kory ciemieniowej, jest używana głównie do lokalizowania pozycji obiektów w polu widzenia i planowania działań. W proponowanej serii eksperymentów zbadamy, w jaki sposób reprezentacje neuronowe w ścieżkach brzusznych i grzbietowych przyczyniają się do szeregu zadań poznawczych, w tym rozpoznawania obiektów i scen, selekcji uwagi i przetwarzania twarzy. Eksperymenty te będą głównie wykorzystywać przezczaszkową stymulację magnetyczną (TMS) lub przezczaszkową stymulację elektryczną (tES) w połączeniu z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym (fMRI).

TMS i tES zapewniają unikalne narzędzia eksperymentalne do badań funkcji poznawczych człowieka, ponieważ można je wykorzystać do przejściowego i bezpiecznego zakłócenia lub wzmocnienia przetwarzania neuronowego w docelowym regionie korowym, podczas gdy badani wykonują równoczesne zadania behawioralne, które zależą od operacji tego regionu. Ponadto TMS i tES można łączyć z technikami neuroobrazowania, takimi jak fMRI, w celu zbadania odległych skutków indukowanego zakłócenia neuronalnego w innych regionach zależnych od zadania rozmieszczonych w korze mózgowej. Planujemy wykorzystać TMS i tES do odpowiedzi na pytania bez odpowiedzi dotyczące funkcjonowania rozproszonych sieci neuronowych dla różnych kategorii rozpoznawania obiektów oraz w sieci uwagi ludzkiego mózgu.

Badana populacja

Planujemy przetestować 665 neurologicznie zdrowych osób w wieku od 18 do 50 lat. Uczestnicy wezmą również udział w eksperymencie fMRI przed kolejnymi eksperymentami TMS lub tES w celu zlokalizowania interesujących miejsc stymulacji.

Projekt

Celem proponowanej serii eksperymentów jest zbadanie wpływu zakłócenia lub wzmocnienia neuronalnego wywołanego przez TMS i tES na wykonanie zadania behawioralnego oraz neuronalnych korelatów upośledzonej wydajności mierzonej za pomocą fMRI. Ogólnie te eksperymenty można podzielić na badania wykorzystujące TMS lub tES online i offline. W eksperymentach on-line TMS lub tES będą stosowane podczas zadań behawioralnych. W eksperymentach off-line stymulacja impulsem theta (TBS) lub tES zostanie dostarczona przed zadaniem eksperymentalnym, a eksperymenty off-line mogą łączyć TBS lub tES z fMRI.

1. Lokalizacja miejsca docelowego TMS lub tES

   Przed rozpoczęciem badań online i offline uczestnicy wezmą udział w eksperymencie fMRI mającym na celu zlokalizowanie określonych obszarów kory mózgowej (ROI). Eksperyment fMRI będzie wymagał od badanego obejrzenia szeregu różnych kategorii obiektów (np. twarze, ciała, sceny) lub migoczące fragmenty czarno-białej szachownicy w skanerze fMRI. Wyniki tych eksperymentów fMRI zostaną wykorzystane do identyfikacji regionów kory mózgowej, które następnie zostaną poddane działaniu TMS lub tES. Zidentyfikujemy miejsca docelowe TMS i tES za pomocą oprogramowania do współrejestracji stereotaktycznej Brainsight, a lokalizacja skóry głowy zostanie oznaczona indywidualnie dla każdego podmiotu.

2. Behawioralne eksperymenty TMS online

   Eksperymenty online TMS mają na celu zajęcie się bezpośrednimi skutkami indukowanego zakłócenia neuronowego tylko w docelowym miejscu TMS. TMS jest dostarczany podczas każdej próby, aby ocenić wpływ na wykonywanie równoczesnych zadań. Badani wykonują szereg wizualnych zadań behawioralnych, podczas gdy TMS online jest dostarczany w interesującym regionie korowym lub w miejscach kontrolnych (np. wierzchołek). Powtarzalny TMS będzie dostarczany z częstotliwością 10 Hz przez 500 ms. W niektórych eksperymentach będziemy alternatywnie dostarczać podwójny puls TMS z różnymi opóźnieniami po wystąpieniu bodźca, aby ocenić, kiedy region docelowy może być zaangażowany w wykonanie zadania.

3. Eksperymenty TBS offline

   Eksperymenty offline thetaburst (TBS) mają również na celu ocenę skutków indukowanego zakłócenia w stymulowanym regionie. Jednak zamiast dostarczać TMS podczas każdej próby eksperymentalnej, Thetaburst TMS (TBS) jest dostarczany w docelowym obszarze zainteresowania (ROI) z opóźnieniem do 60 sekund przed wykonaniem przez badanego jakiegokolwiek zadania behawioralnego. Wykazano, że neuronalne skutki tego wywołanego zakłócenia trwają do 30 minut (Huang i in., 2005). W eksperymentach TBS offline proponujemy dostarczanie TBS przez 60 sekund w stosunku do stymulowanego ROI. W niektórych proponowanych eksperymentach uczestnicy zostaną następnie umieszczeni w skanerze fMRI przed i po stymulacji TBS. Podczas obu sesji fMRI badani wykonają serię zadań wzrokowej dyskryminacji, aby ocenić wpływ zakłócenia TBS zarówno na ich zachowanie, jak i na aktywność w odległych obszarach korowych, mierzoną aktywacją BOLD.

4. Eksperymenty tES online i offline

Wpływ behawioralny tES można rejestrować jednocześnie w trybie online i offline w ramach tej samej sesji i przy użyciu tego samego protokołu. Online tES bada bezpośredni efekt stymulacji nerwowej, gdy uczestnik wykonuje zadanie (Tyler i in., 2018). W przeciwieństwie do TMS, tES online jest możliwy, ponieważ efekty stymulacji podskórnej są niewielkie lub niezauważalne, nie mają wpływu na słuch i nie wymagają zaangażowania eksperymentatora. Po umieszczeniu elektrod powierzchniowych uczestnik może działać niezależnie. Offline tES bada przebieg w czasie wpływu behawioralnego po stymulacji. Efekty offline tES trwają do 60 minut po stymulacji (Terney i in., 2008; Herpich i in., 2019). Możemy dostarczać prąd stały lub przemienny tES przez maksymalnie 20 minut, przy natężeniu poniżej 4 mA (Antal i in., 2017; Rossi i Antal, 2020).

Mierniki rezultatu

Zmiennymi zależnymi w behawioralnych eksperymentach TMS lub tES online będą miary dokładności wykonania, czułości (d) i czasu reakcji (RT) zebrane podczas równolegle wykonywanych zadań behawioralnych. Zmiennymi zależnymi w eksperymentach offline fMRI-TBS lub fMRI-tES będzie wydajność zadania, jak również zmniejszona aktywność neuronów mierzona zmniejszoną aktywacją BOLD w docelowych i odległych ROI.