Inriktning på det frontoparietala nätverket med hjälp av bifokal transkraniell växelströmsstimulering under en motorisk sekvens Inlärningsuppgift hos friska äldre vuxna Del 1

abstrakt

Bakgrund: Friska äldre vuxna visar en minskning av motorisk prestation och motorisk inlärningskapacitet såväl som i arbetsminnesprestanda (WM). WM har föreslagits vara involverad i motoriska inlärningsprocesser, såsom sekvensinlärning. Korrelationsbevis har visat involveringen av det frontoparietala nätverket (FPN), ett nätverk som ligger bakom WM-processer, i motorisk sekvensinlärning.

Motorisk inlärning hänvisar till metoder för att förbättra inlärningseffektiviteten och minnet genom sport, musik, dans, kampsport, etc. Till skillnad från traditionella inlärningsmetoder ägnar motorisk inlärning mer uppmärksamhet åt den samordnade driften av kroppen och hjärnan, vilket gör inlärningen mer avslappnad och njutbar. .

Effekten av motorisk inlärning på minnet är mycket betydande. Genom träning kan vi förbättra kroppens ämnesomsättningsnivå, påskynda blodcirkulationen och fullt ut tillföra syre och näringsämnen till hjärnan. Samtidigt kan motorisk inlärning också stimulera hippocampus i hjärnan, vilket är ett viktigt minneslagringsområde som kan hjälpa oss att bättre komma ihåg och förstå kunskap.

Dessutom kan motorisk inlärning också förbättra människors koncentration och koncentration. Under träning utsöndrar människokroppen stora mängder signalsubstanser som dopamin och adrenalin, vilket kan få oss att känna oss mer positiva och energiska. Detta är till stor hjälp för oss att bättre fokusera på inlärningsuppgifter.

Inom motorisk inlärning kan vi välja en mängd olika träningsmetoder, som hopprep, spela basket, dansa, yoga etc. Olika träningsmetoder har olika effekter på hjärnan. Till exempel kan dans hjälpa oss att bättre kontrollera kroppens rytm och förbättra rumslig medvetenhet; att spela basket kan hjälpa oss att bättre uppfatta den yttre miljön och hantera komplexa situationer.

Kort sagt, motorisk inlärning spelar en viktig roll för att förbättra vår inlärningseffektivitet och minne. Vi bör integrera träning i det dagliga lärandet, dra full nytta av kroppens och hjärnans synergier och lära oss och växa mer njutbart. Det kan ses att vi behöver förbättra vårt minne. Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt eftersom Cistanche deserticola är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial med många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av malet kött kommer från de olika aktiva ingredienserna det innehåller, inklusive syra, polysackarider, flavonoider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa på olika sätt.

Klicka på vet 10 sätt att förbättra minnet

Men för närvarande saknas orsaksbevis. Studier av icke-invasiv hjärnstimulering (NIBS) har så långt övervägande fokuserat på motorrelaterade områden för att förbättra motorisk sekvensinlärning, medan områden associerade med fler kognitiva aspekter av motorisk inlärning ännu inte har behandlats. Hypotes: I den här studien syftar vi till att tillhandahålla orsaksbevis för involvering av WM-processer och den underliggande FPN i det framgångsrika utförandet av en motorsekvensinlärningsuppgift genom att använda tatranskraniell växelströmsstimulering (tACS) riktad mot FPN under en motorsekvensinlärningsuppgift.

Metoder: I en kohort av 20 friska äldre vuxna tillämpade vi bifokal tACS i theta-intervallet på FPN under en sekvensinlärningsuppgift. Med användning av en dubbelblind, cross-over-design testade vi effekten av aktiv jämfört med skenstimulering. Två versioner av den motoriska uppgiften användes: en med hög och en med låg WM-belastning, för att utforska effektiviteten av stimulering på uppgifter som skiljer sig i WM-efterfrågan. Dessutom behandlades effekterna av stimulering på WM-prestanda med hjälp av en N-back-uppgift. tACS-frekvensen anpassades med hjälp av EEG som mätte den individuella theta-toppfrekvensen under N-back-uppgiften.

Resultat: Tillämpningen av personlig theta tACS på FPN förbättrade prestandan under motorsekvensinlärningsuppgiften med en hög WM-belastning (p < .001), men inte med en låg WM-belastning. Aktiv stimulering förbättrade avsevärt både hastighet (p < 0,001) och noggrannhet (p ¼ ,03) under uppgiften med en hög WM-belastning. Dessutom förbättrade stimuleringsparadigmet prestandan på N-back-uppgiften för 2- tillbaka uppgift (p ¼ .013), men inte för 1-tillbaka och 3-tillbaka.

Slutsats: Prestandan under en motorsekvensinlärningsuppgift kan förbättras med hjälp av personlig bifokal theta tACS till FPN när WM-belastningen är hög, vilket indikerar att effektiviteten av detta stimuleringsparadigm är beroende av den kognitiva efterfrågan under inlärningsuppgiften. Dessa data ger ytterligare orsaksbevis för den kritiska involveringen av WM-processer och FPN under utförandet av en motorsekvensinlärningsuppgift hos friska äldre. Dessa fynd öppnar nya spännande möjligheter för att motverka den åldersrelaterade nedgången i motorisk prestation, inlärningskapacitet och WM-prestanda.

1. Introduktion

Förmågan att tillägna sig nya motoriska färdigheter är viktig i det dagliga livet. Motorisk inlärning är en praktikberoende process där rörelser utförs snabbare och mer exakt [1]. En stor mängd forskning har bidragit till en ökad förståelse för de neurala substraten och de underliggande mekanismerna som är involverade i förvärvet, konsolideringen och bibehållandet av nya motoriska färdigheter. Neurovetenskapliga studier har huvudsakligen fokuserat på motornätverket och den centrala rollen för den primära motoriska cortex (M1)[ 2e4].

Detta är särskilt fallet för studier av icke-invasiv hjärnstimulering (NIBS) som försöker förbättra motorisk inlärning genom att kombinera utövandet av en utmanande motorisk uppgift med ett stimuleringsparadigm [5e8]. Studier har dock föreslagit att utmanande motoriska uppgifter, såsom motorisk sekvensinlärning (MSL), inte enbart förlitar sig på motorrelaterade processer, utan också på onkognitiva processer, såsom arbetsminne (WM) [4,9,10]. Överraskande nog har WM-relaterade hjärnområden inte varit ett mål för NIBS-paradigmer avsedda att studera MSL.

MSL är en process där oberoende rörelser associeras, vilket så småningom resulterar i en sekvens med flera element som kan utföras snabbt och exakt [4,11]. Studier har visat inblandningen av WM i MSL [12e14]. WM hänvisar till förmågan att temporärt lagra och manipulera information i sinnet [15]. Interindividuell variabilitet i WM består till exempel av antalet objekt som kan hållas och arbetas med [4]. Detta är viktigt för MSL, särskilt under processen att gruppera delar av dessa sekvenser i "bitar".

Denna chunkingprocess resulterar i snabbare exekvering av rörelserna [16e18]. Många studier har visat att friska äldre visar en minskning av förmågan att lära sig motoriska sekvenser [12,14]. Dessutom minskar åldrandet kognitiva funktioner inklusive WM [19]. Därför har en interaktion mellan ålder, WM-kapacitet och MSL nyligen föreslagits [14], även om kausala bevis till förmån för detta förslag är fortfarande begränsade.

En lovande neuroteknik för att ge orsaksbevis är användningen av NIBS, såsom transkraniell växelströmsstimulering (tACS) [20e23]. Denna teknik gör det möjligt att exogent störa pågående oscillerande aktivitet och rikta in sig på specifika nätverk, såsom frontoparietalnätverket (FPN), för att förbättra eller minska specifikt respektive kognitiva funktioner, såsom WM-processer [24,25].

FPN, ett nätverk relaterat till WM, aktiveras under motorsekvensuppgifter [18,26e29]. Kognitiva processer bygger på koordinerade interaktioner inom och mellan hjärnnätverk, implementerade i hjärnan genom oscillerande aktivitet [30,31]. Till exempel ökas effektiviteten genom oscillerande synkronisering av neuronal avfyring, vilket skapar ensembler av neuroner som utför specifika beräkningsfunktioner [31,32]. Den huvudsakliga arbetsmekanismen för tACS är att medföra eller synkronisera neuronala nätverk [20,33].

Stimuleringsfrekvensen justeras för att matcha den endogena oscillerande frekvensen och dess hjärntillstånd. Mer specifikt tillåter tACS exogen interaktion med pågående svängningar, vilket kan resultera i förbättrad koherens inom nätverk med respektive beteendepåverkan [23,33,34]. Neuronala oscillationer i theta-området (4e8 Hz) är engagerade i WM-uppgifter, med en ökning av theta-effekten under ökad WM-belastning[35e37]. Polania et al. och Violante et al. har visat ett orsakssamband mellan synkroniseringen av theta-oscillationer med en relativ 0⁰ fasskillnad i FPN och förbättringen av WM-prestanda [24,25]. Men kunskap om effekterna av ACS-inducerad synkronisering av theta-svängningar i FPN och MSL saknas.

I denna studie syftade vi till att fastställa ett orsakssamband mellan WM och MSL hos friska äldre vuxna. För att göra detta applicerades personalizedtheta tACS på den högra dorsolaterala prefrontala cortex (DLPFC) och den bakre parietal cortex (PPC) avsedda att förbättra MSL med hjälp av träningen av den sekventiella fingertappningsuppgiften (SFTT) [3]. För att utvärdera vikten av WM under MSL och hur detta påverkas av FPN-stimuleringen, användes två versioner av SFTT. Versionerna skiljde sig när det gäller låg vs hög WM-belastning.

WM-belastningen hölls låg genom att explicit visa sekvensen på en skärm under uppgiften [38]. I versionen med hög WM-belastning måste denna sekvens memoreras före uppgiften och visades inte under uppgiften. Detta onlineunderhåll av sekvensen medan rörelserna utförs bygger på WM-processer [39].

Dessutom verifierar vi om det nuvarande stimuleringsparadigmet förbättrar WM med användning av en N-back-uppgift [24]. Med den här studien introducerar vi FPN som en ytterligare stimuleringsmålplats för motorisk prestanda och inlärningsförbättring och lyser på vikten av att ta hänsyn till kognitiva processer under MSL-paradigm.

2. Metoder

2.1. Deltagare

I den här studien rekryterade vi N ¼ 21 friska, äldre, högerhänta deltagare (N ¼ 11 kvinnor, medelålder ± sd: 69,6 ± 4,4, genomsnittlig lateralitetskvot Edinburgh handedness inventering 85,03 ± 17,3)[40]. Uppgifterna från N ¼ 20 deltagare ansågs bero på att en deltagare hoppade av på grund av en orelaterade förändring i fysisk hälsa. Inklusionskriterier var: 60 år [41e43], högerhänt och frånvaro av kontraindikationer för transkraniell elektrisk stimulering (tES).

Uteslutningskriterier var: neuropsykiatriska sjukdomar, anfallshistoria, medicin som potentiellt interagerar med tES, muskuloskeletal dysfunktion som försämrar fingerrörelserna, professionell musiker och intag av narkotiska läkemedel. Alla deltagare har undertecknat ett informerat samtycke. Studien utfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen [44]. Etiskt godkännande erhölls från den kantonala etiska kommittén i Vaud, Schweiz (projektnummer: 2017-00765).

2.2. Experimentell design

Designen av denna studie var dubbelblind, skenkontrollerad och cross-over. Den bestod av två pass före cross-over och två sessioner efter cross-over. Under sessionen på dag 1 informerades deltagarna, screenades och ombads fylla i tre olika frågeformulär (tES säkerhetsenkät, Edinburgh HandednessInventory (EHI), Center for Epidemiological Studies DepressionScale (CES-D)) [40,45]. Efteråt utförde deltagarna ett Nback-test med EEG-insamling för toppfrekvensanalys.

Efter EEG-mätningen gjorde deltagarna motorträningen och den kognitiva träningen med samtidig tACS. Dagen efter utförde deltagarna endast den motoriska träningen med tACS. Stimuleringsförhållandet hölls oförändrat båda på varandra följande dagar och ändrades efter cross-over. Stimuleringsordningen definierades på ett pseudo-randomiserat sätt av en experimenterare som inte var involverad i datainsamlingen.

Blindheten för stimuleringstillståndet för både deltagaren och försöksledaren säkerställdes av ytterligare en försöksledare som ställde in parametrarna och slog på stimulatorerna under experimentet. Mellan före och efter cross-over-sessionerna fanns det en period på minst två veckor, baserat på vårt tidigare arbete [46]. Samma uppgifter, med olika sekvenser, upprepades efter korsning, exklusive frågeformulären. Se fig. 1 A för tidslinjen för studiedesignen.

For more information:1950477648nn@gmail.com