Влияние tDCS на моторную кору: улучшение когнитивно-моторных функций и бимануальной координации

Введение

Первичная моторная кора (M1) широко признана за свою crucial роль в выполнении произвольных движений. Однако ее вклад в когнитивные и сенсорные функции остается в значительной степени неисследованным. Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) - это неинвазивный метод нейростимуляции, который может изменять активность мозга, тем самым позволяя установить причинно-следственную связь между активностью M1 и поведением. Данное исследование aimed изучить онлайн-эффекты tDCS над M1 на когнитивно-моторные и сенсомоторные функции. Шестьдесят четыре здоровых участника прошли либо анодальную, либо sham tDCS, одновременно выполняя набор стандартизированных роботизированных задач. Эти задачи обеспечивали чувствительную и объективную оценку функций мозга, включая выбор действия, тормозной контроль, когнитивный контроль зрительно-моторных навыков, проприоцептивное чувство и бимануальную координацию.

Методы исследования

Участники

В исследовании приняли участие 64 здоровых человека, все правши (Возраст = 20,9 ± 1,8; 38 женщин и 26 мужчин), без истории неврологических или опорно-двигательных disorders. Все участники были наивны в отношении нашего аппарата, парадигмы и цели исследования. Все экспериментальные протоколы были одобрены Институциональным наблюдательным советом Техасского университета A&M. Все субъекты дали письменное информированное согласие перед участием, которое было одобрено местным этическим комитетом Техасского университета A&M в соответствии с Хельсинкской декларацией.

Аппаратура

Мы использовали bilateral роботизированный экзоскелет KINARM (BKIN Technologies Ltd, Кингстон, ON, Канада) для выполнения роботизированных задач и сбора данных о движении в этом исследовании. Участники сидели на регулируемом по высоте стуле, их руки горизонтально поддерживались экзоскелетом KINARM. Звенья экзоскелета были adjusted для индивидуальной подгонки каждого участника based на длине и геометрии их руки. KINARM был integrated с системой виртуальной реальности, которая проецировала визуальные targets на горизонтальный дисплей, aligning их в той же плоскости, что и руки. Стул был positioned таким образом, что руки находились под горизонтальным дисплеем. Чтобы исключить любую прямую визуальную обратную связь, вид рук был obstructed, и белый курсор отображался, обозначая location указательного пальца, чтобы направлять движение участника. 2D позиция указательного пальца sampled с частотой 1000 Гц, lowpass filtered на 15 Гц.

Роботизированные задачи

Все роботизированные задачи выполнялись на экзоскелете KINARM. Исследование включало четыре стандартизированные задачи: задача "Попасть в объект и избежать" (Object Hit & Avoid), которая оценивала выбор действия и тормозной контроль участников; задача "Мяч на платформе" (Ball on Bar), которая была designed для тестирования cooperative бимануальной координации; задача "Обратное зрительно-управляемое достижение" (Reverse Visually Guided Reaching), которая aimed измерить когнитивный контроль зрительно-моторных навыков; и задача "Сопоставление положения руки" (Arm Position Matching), которая оценивала чувство положения конечности без помощи визуальной обратной связи. Эти задачи были specifically выбраны для collectively обеспечения comprehensive оценки различных когнитивно-моторных и сенсомоторных функций.

Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS)

Участники были allocated в две группы: группа анодальной tDCS (n = 32; Возраст = 21,0 ± 1,8; 20 женщин и 12 мужчин) и группа sham tDCS (n = 32; Возраст = 20,9 ± 1,8; 18 женщин и 14 мужчин). Группа анодальной tDCS получала анодальную стимуляцию, targeted на левую M1, тогда как sham группа experienced процедуру без активной стимуляции. Анодальная стимуляция administered через battery-operated устройство (tDCS Stimulator; TCT Research Limited, Гонконг), которое supplied ток 1 мА в течение 20 минут. Этот ток delivered через пару electrodes размером 5×5 см², которые были covered смоченными в солевом растворе sponges, resulting в плотности тока 0,04 мА/см². Анод positioned над левой M1, точно aligned над C3 согласно Международной системе 10-20, в то время как катод situated на правой надглазничной области. Эта setup acknowledged за свою precision в стимуляции M1, как visualized в симуляции потока тока. Симуляция потока тока generated с использованием HDExplore™ (Soterix Medical Inc., NY), indicating повышенный поток тока в regions identified как левая M1. Относительно sham tDCS стимуляции, идентичная setup electrodes maintained, но фактическая стимуляция only delivered в течение 30 секунд в начале и конце роботизированных задач. Участники были blind к тому, получали ли они анодальную или sham стимуляцию, и experimenter, collecting данные, также был unaware о specific условиях, assigned каждому участнику, thereby maintaining integrity blinding исследования.

Результаты

Влияние стимуляции M1 на выбор действия и моторный тормозной контроль

Многочисленные исследования established, что стандартизированная роботизированная задача "Попасть в объект и избежать" является effective методом для evaluating когнитивно-моторных функций, таких как выбор действия и моторный тормозной контроль. В этой задаче анодальная tDCS administered к левой M1, participants being instructed hit два designated targets while avoiding все другие distractor objects в их workspace. Участник demonstrated высокий уровень accuracy в hitting targets и successfully avoiding distractor objects. Группа анодальной tDCS exhibited reduction в distractor hits, indicating decrease в общем количестве distractor objects contacted, и displayed diminished proportion distractor hits, representing lower ratio distractors hit к общему objects hit, в contrast к группе sham tDCS. Скорость обработки объектов, мера скорости, с которой объекты accurately processed, была significantly higher в группе анодальной tDCS compared к группе sham tDCS. Specifically, группа анодальной tDCS имела скорость обработки 2,20 ± 0,21 объектов/секунду, тогда как participants в группе sham tDCS processed со скоростью 2,04 ± 0,30 объектов/секунду.

Влияние стимуляции M1 на бимануальную координацию

Роботизированная задача "Мяч на платформе" является commonly employed методом для evaluating performance на бимануальной activity. Главная objective задачи - hit как можно больше targets через coordinated movements обеих конечностей. Задача designed иметь три escalating уровня сложности. На foundational уровне мяч fixed в midpoint платформы. На intermediate уровне положение мяча становится dependent на inclination платформы; он остается central, когда платформа level, но shifts к edge по мере увеличения tilt, dropping off, когда angle surpasses 20 degrees. На самом challenging уровне мяч unrestrained и permitted свободно катиться вдоль платформы. Наше исследование focuses на этом ultimate уровне due к его closer resemblance к real-life dynamics движения мяча на поверхности. "Время до цели" (Time to Target), defined как общее время, elapsed с момента появления targets до момента, когда мяч reached targets, было less в группе анодальной tDCS compared к группе sham tDCS. Однако не было significant difference в "Наклоне платформы" (Bar Tilt), determined абсолютным углом платформы relative к фронтальной плоскости, и "Разнице скорости рук" (Hand Speed Difference), которая представляет cumulative sum абсолютной разницы в speed между двумя руками, между группой анодальной tDCS и группой sham tDCS.

Влияние стимуляции M1 на когнитивный контроль зрительно-моторных навыков

Роботизированная задача "Обратное зрительно-управляемое достижение" widely used для studying когнитивного контроля моторных actions. Эта задача demands когнитивный контроль для регулирования движения руки в opposite direction цели. Additionally, обратное достижение demands ongoing когнитивный контроль для помощи в real-time контроля движений конечности, thereby направляя cursor к цели. Prior исследования indicate, что individuals с когнитивными impairments typically exhibit большую variability в их trajectories достижения во время задачи и often experience меньше success в accurately достижении intended targets. Не было found significant differences в parameters, таких как "Время движения" (Movement Time), обозначающее entire duration движения, и "Время реакции" (Reaction Time), interval между появлением цели и commencement движения, между группой анодальной tDCS и группой sham tDCS. Similarly, не было difference в "Ошибке начального направления" (Initial Direction Error), которая quantifies угловое deviation, между двумя группами.

Влияние стимуляции M1 на чувство положения конечности

Роботизированная задача "Сопоставление положения руки" established как reliable, quantitative метод оценки для multi-joint чувства положения конечности. Во время этой задачи правая рука участника passively и randomly positioned, после чего их просили actively mirror это положение с использованием их левой руки. Не было observed significant differences между группой анодальной tDCS и группой sham tDCS в terms "Систематических сдвигов" (Systematic Shifts), representing consistent differences между положениями active и passive рук, и "Пространственного сжатия/расширения" (Spatial Contraction/Expansion), measured calculating area, spanned active hand для targets и normalizing это общим spatial area, covered passive hand. Similarly, "Изменчивость" (Variability), calculated как standard deviation положения active hand для каждого location цели, показала no significant difference между двумя группами.

Обсуждение

Наше исследование examined онлайн-эффекты анодальной tDCS, applied над M1, на когнитивно-моторные и сенсомоторные функции. Мы employed четыре specially designed роботизированные задачи для evaluating различных aspects этих функций, включая выбор действия, моторный тормозной контроль, бимануальную координацию, когнитивный контроль зрительно-моторных навыков и чувство положения конечности. Наши findings reveal, что анодальная tDCS над M1 distinctly affects поведенческое performance across этих задач. Specifically, применение анодальной tDCS над M1 results в enhanced моторный тормозной контроль и возможности выбора действия. Furthermore, это leads к decrease во времени, required для выполнения бимануальных движений, что implies улучшенную бимануальную координацию. В contrast, анодальная tDCS над M1 не impact когнитивный контроль зрительно-моторных навыков или чувство положения конечности, indicating, что эти когнитивные и сенсомоторные функции остаются unaffected. Поэтому наше исследование suggests, что усиление активности M1 через анодальную tDCS influences когнитивно-моторные и сенсомоторные функции task-dependent manner.

Заключение

В summary, наше исследование reveals significant task-dependent вариации в когнитивно-моторном и сенсомоторном performance, elicited анодальной tDCS. Yet, более in-depth research required, чтобы понять, как эти immediate эффекты translate в long-term offline эффекты. Наши findings имеют potential implications для rehabilitation усилий, aimed на восстановление когнитивных, сенсорных и моторных функций. Отсутствие нейрофизиологических мер, таких как моторные вызванные потенциалы (MEP), в нашем исследовании prevented подтверждение того, вызвала ли анодальная tDCS expected увеличение возбудимости M1. Также essential recognize significance индивидуальной variability в response на tDCS и вариации в electric полях, induced tDCS.