医療従事者・研究者用ノート

後頭葉への電流刺激と注意

本日は、注意経路の低次領域である視覚野領域への電流刺激が、その後の注意課題と神経活動に与える影響を調べた研究を紹介します。

タイトル:High‐definition transcranial direct current stimulation of the occipital cortices induces polarity dependent effects within the brain regions serving attentional reorientation.

著者:Arif Y, Embury CM, Spooner RK, et al.

雑誌:Human brain mapping. 2022.1-11.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34997673/

背景

注意にはトップダウン的注意とボトムアップ的注意があり、これらの注意は様々な実験方法で定量的に確立されている。これまで健常者1,2)や高齢者3,4)、様々な疾患5,6,7)で確立された課題を用いて研究されている。これらの研究の多くは、背側および腹側注意ネットワークの領域である前頭葉や頭頂葉および一次視覚野に焦点を当てている。

最近のニューロモデュレーション技術として経頭蓋磁気刺激がある。この中でも経頭蓋電流刺激(tDCS)は極性依存的に皮質活動を変化させることを目的として用いられてきた8)。簡単に言うと、tDCSは活動電位を誘発することなく静止膜閾値を変化させることで神経集団を調整すると考えられている9,10)。さらに、陽極および陰極刺激は、GABA作動性およびグルタミン酸作動性ニューロンの神経伝達をそれぞれ抑制することによって皮質の興奮性を高めるまたは低下させると考えられている11,12)。例えば、いくつかの先行研究では、選択的注意と視覚処理中に後頭葉への陽極刺激を行うことでαパワーの増加が示されている13)。反対に陰極刺激では、αおよびγパワーが減少することがわかっている14)

しかし、2つの注意経路の低次領域である視覚野領域へのtDCSが高次領域に与える影響は明らかでない。

そのため、本研究は後頭葉への高精細経頭蓋直流刺激(HD-tDCS)が転換性注意に関与する神経活動の振動を脳磁図を用いて調査した。

方法

・被験者は健常者28名(女性15名、平均年齢24.9±3.3歳)であった。

・高精細経頭蓋直流刺激(HD-tDCS)は後頭葉(10-20法のOz領域)に陽極、陰極、擬似刺激の3回実施した(3回の刺激はそれぞれ別日に実施)。

・刺激後に脳磁図記録を実施し、その時にPosner課題を実施した(刺激終了から脳磁図記録まで約59分かかり、刺激後のオフライン効果を調べるのに適切と考えられる時間幅の2時間以内に収まった15))。

結果

・Posner課題の反応時間は陽極、陰極、擬似刺激間で有意な差は認められなかった。しかし、刺激内の一致条件と不一致条件間では不一致条件は一致条件に比べて有意に長くなった。

・陰極刺激は陽極刺激と比較して、後頭葉におけるθ波の有意な減少、左後頭葉および頭頂葉におけるα波の有意な減少が認められた。

・陽極刺激は陰極刺激と擬似刺激と比較して、右後頭葉におけるγ波が有意に増加した。

・陽極刺激後のα波と課題の反応時間との間に負の相関が認められた。

まとめ

・本研究では、後頭葉への高精細経頭蓋直流刺激がその後のPosner課題時の神経活動の振動への影響を脳磁図を用いて調査した。

・後頭葉の高精細経頭蓋直流刺激が健常成人の注意力再編成を担う多面的な神経振動に極性依存的に影響を与えることがわかった。

・このような効果は注意力再編成を担う神経回路における局所GABA濃度の変化を反映している可能性を示唆するものであった。

・結果のα、γ、θ波が何を反映しているかは原著のDiscussionに書かれているので、そちらをご覧ください。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34997673/

参考文献

  1. Corbetta, M., Patel, G., & Shulman, G. L. (2008). The reorienting system of the human brain: From environment to theory of mind. Neuron, 58, 306–324.
  2. Posner, M. I. (2016). Orienting of attention: Then and now. Quarterly Journal of Experimental Psychology, 69, 1864–1875.
  3. Arif, Y., Spooner, R. K., Wiesman, A. I., Embury, C. M., Proskovec, A. L., & Wilson, T. W. (2020). Modulation of attention networks serving reorientation in healthy aging. Aging, 12, 12582–12597.
  4. Daselaar, S. M., Huijbers, W., Eklund, K., Moscovitch, M., & Cabeza, R. (2013). Resting-state functional connectivity of ventral parietal regions associated with attention reorienting and episodic recollection. Frontiers in Human Neuroscience, 7, 38.
  5. Arif, Y., Spooner, R. K., Wiesman, A. I., Proskovec, A. L., Rezich, M. T., Heinrichs-Graham, E., & Wilson, T. W. (2020). Prefrontal multi- electrode transcranial direct current stimulation modulates performance and neural activity serving visuospatial processing. Cerebral Cortex., 30, 4847–4857.
  6. Jimenez, A. M., Lee, J., Wynn, J. K., Cohen, M. S., Engel, S. A., Glahn, D. C., … Green, M. F. (2016). Abnormal ventral and dorsal attention network activity during single and dual target detection in schizophrenia. Frontiers in Psychology, 7, 323.
  7. Georgiou-Karistianis, N., Churchyard, A., Chiu, E., & Bradshaw, J. L. (2002). Reorientation of attention in Huntington disease. Cognitive and Behavioral Neurology, 15, 225–231.
  8. Wiesman, A. I., Mills, M. S., McDermott, T. J., Spooner, R. K., Coolidge, N. M., & Wilson, T. W. (2018). Polarity-dependent modulation of multi-spectral neuronal activity by transcranial direct current stimulation. Cortex, 108, 222–233.
  9. Esmaeilpour, Z., Shereen, A. D., Ghobadi-Azbari, P., Datta, A., Woods, A. J., Ironside, M., Ekhtiari, H. (2020). Methodology for tDCS integration with fMRI. Human Brain Mapping, 41, 1950–1967.
  10. Lefaucheur, J.P., & Wendling, F. (2019). Mechanisms of action of tDCS: A brief and practical overview. Neurophysiologie Clinique, 49, 269–275.
  11. Coffman, B. A., Clark, V. P., & Parasuraman, R. (2014). Battery powered thought: Enhancement of attention, learning, and memory in healthy adults using transcranial direct current stimulation. NeuroImage, 85, 895–908.
  12. Fertonani, A., & Miniussi, C. (2017). Transcranial electrical stimulation: What we know and do not know about mechanisms. The Neuroscientist, 23, 109–123.
  13. McDermott, T. J., Wiesman, A. I., Mills, M. S., Spooner, R. K., Coolidge, N. M., Proskovec, A. L., … Wilson, T. W. (2019). tDCS modulates behavioral performance and the neural oscillatory dynamics serving visual selective attention. Human Brain Mapping, 40, 729–740.
  14. Marshall, T. R., Esterer, S., Herring, J. D., Bergmann, T. O., & Jensen, O. (2016). On the relationship between cortical excitability and visual oscillatory responses—A concurrent tDCS–MEG study. NeuroImage, 140,41–49.
  15. Kuo, H.-I., Bikson, M., Datta, A., Minhas, P., Paulus, W., Kuo, M.-F., & Nitsche, M. A. (2013). Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4? 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimulation, 6, 644–648.

投稿者

tsujimoto.kengo8762@gmail.com

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