Стимуляция мозга и проверка зрения

Задача

В влиятельной модели корковой организации предполагается, что зрительная система приматов разделена на два функционально различных пути (Ungerleider & Mishkin, 1982). Вентральный зрительный путь, который проецируется из затылочной коры в вентральную височную кору, в основном используется для распознавания и идентификации объектов. Дорсальный или кулисный путь, который проецируется из затылочной коры в теменную кору, в основном используется для определения положения объектов в поле зрения и для планирования действий. В предлагаемой серии экспериментов мы исследуем, как нейронные представления в вентральных и дорсальных путях способствуют ряду когнитивных задач, включая распознавание объектов и сцен, выбор внимания и обработку лиц. В этих экспериментах в основном будет использоваться транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) или транскраниальная электрическая стимуляция (ТЭС) в сочетании с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ).

TMS и tES предоставляют уникальные экспериментальные инструменты для изучения когнитивных функций человека, потому что их можно использовать для кратковременного и безопасного нарушения или усиления нейронной обработки в целевой области коры, в то время как субъекты выполняют параллельные поведенческие задачи, которые зависят от операций этой области. Кроме того, TMS и tES можно сочетать с методами нейровизуализации, такими как фМРТ, для изучения отдаленных эффектов индуцированного нарушения работы нервной системы в других областях, зависящих от задачи, распределенных по коре. Мы планируем использовать TMS и tES для решения оставшихся без ответа вопросов, касающихся функционирования распределенных нейронных сетей для различных категорий распознавания объектов и в сети внимания человеческого мозга.

Исследуемая популяция

Мы планируем протестировать 665 неврологически здоровых людей в возрасте от 18 до 50 лет. Субъекты также примут участие в эксперименте фМРТ перед любыми последующими экспериментами TMS или tES, чтобы локализовать интересующие участки стимуляции.

Дизайн

Цель предлагаемой серии экспериментов состоит в том, чтобы изучить влияние вызванного ТМС и tES нервного нарушения или улучшения на выполнение поведенческих задач и нейронные корреляты ухудшенной работы, измеренные с помощью фМРТ. В целом эти эксперименты можно разделить на исследования, в которых используются онлайн и офлайн TMS или tES. В онлайн-экспериментах TMS или tES будут применяться во время поведенческих задач. В автономных экспериментах стимуляция тета-всплеска (TBS) или tES будет доставляться до экспериментальной задачи, а автономные эксперименты могут сочетать TBS или tES с фМРТ.

1. Локализация целевого сайта TMS или tES

   Перед онлайн- и офлайн-исследованиями испытуемые примут участие в эксперименте с фМРТ, предназначенном для локализации конкретных интересующих областей коры (ROI). Эксперимент фМРТ потребует, чтобы субъект просмотрел либо ряд различных категорий объектов (например, лица, тела, сцены) или мерцающие участки черно-белых шахматных досок в сканере фМРТ. Результаты этих экспериментов с фМРТ будут использоваться для определения областей коры головного мозга, на которые затем будут воздействовать ТМС или ТЭС. Мы определим целевые участки TMS и tES, используя стереотаксическое программное обеспечение для совместной регистрации Brainsight, и местоположение скальпа будет отмечено индивидуально для каждого субъекта.

2. Онлайн-эксперименты с поведенческой ТМС

   Онлайн-эксперименты по ТМС предназначены для устранения прямого воздействия индуцированного нейронного нарушения только на целевой сайт ТМС. TMS предоставляется во время каждого испытания для оценки влияния на выполнение параллельных задач. Субъекты будут выполнять ряд визуальных поведенческих задач, в то время как онлайн-ТМС доставляется в интересующую область коры или в контрольные участки (например, вершина). Повторяющиеся TMS будут передаваться с частотой 10 Гц в течение 500 мс. В некоторых экспериментах мы альтернативно доставляем ТМС с двойным импульсом с разной задержкой после начала стимула, чтобы оценить, когда целевая область, вероятно, будет участвовать в выполнении задачи.

3. Офлайн-эксперименты TBS

   Автономные эксперименты thetaburst (TBS) также предназначены для оценки эффектов индуцированного нарушения в стимулируемой области. Однако вместо доставки TMS во время каждого экспериментального испытания Thetaburst TMS (TBS) доставляется в целевую область интереса (ROI) с задержкой до 60 секунд до того, как субъект выполняет какую-либо поведенческую задачу. Затем было показано, что нервные эффекты этого индуцированного нарушения продолжаются до 30 минут (Huang et al., 2005). В автономных экспериментах TBS мы предлагаем доставить 60 секунд TBS по стимулированной области интереса. В некоторых из предлагаемых экспериментов участники будут помещены в сканер фМРТ до и после стимуляции TBS. Во время обоих сеансов фМРТ испытуемые будут выполнять ряд задач визуального различения, чтобы оценить влияние нарушения TBS как на их поведение, так и на активность в удаленных областях коры, измеренную с помощью BOLD-активации.

4. Онлайн- и офлайн-эксперименты tES

Поведенческое влияние tES может быть записано как онлайн, так и офлайн одновременно в рамках одного сеанса и с использованием одного и того же протокола. Онлайн tES исследует прямое влияние нервной стимуляции, когда участник выполняет задание (Tyler et al., 2018). В отличие от ТМС, онлайн-tES возможен, поскольку эффекты подкожной стимуляции незначительны или незаметны, не имеют слухового воздействия и не требуют участия экспериментатора. После установки поверхностных электродов участник может действовать самостоятельно. Автономный tES исследует временной ход поведенческого воздействия после стимуляции. Автономные эффекты tES длятся до 60 минут после стимуляции (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Мы можем подавать ТЭС постоянного или переменного тока в течение максимум 20 минут при силе тока менее 4 мА (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Критерии оценки

Зависимыми переменными в онлайн-поведенческих экспериментах TMS или tES будут показатели точности выполнения, чувствительности (d) и времени реакции (RT), собранные во время одновременно выполняемых поведенческих задач. Зависимыми переменными в автономных экспериментах fMRI-TBS или fMRI-tES будут выполнение задачи, а также снижение активности нейронов, измеряемое снижением активации BOLD в целевых и удаленных областях интереса.