Teil 1: Altersbedingter Rückgang des kortikalen Hemmtonus stärkt das motorische Gedächtnis

Kontakt: Audrey Hu WhatsApp/hp: 0086 13880143964 E-Mail:audrey.hu@wecistanche.com

Pierre Petiteta,b,1,∗, Gershon Spitza,c,1, Uzay E. Emird,e, Heidi Johansen-Berga, Jacinta O'Sheaa,f

a Wellcome Centre for Integrative Neuroimaging, FMRIB Centre, Nufield Department of Clinical Neurosciences (NDCN), John Radcliffe Hospital, Headington, Oxford, Vereinigtes Königreich

b Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Equipe Trajectoires, Inserm UMR-S 1028, CNRS UMR 5292, Université Lyon 1, Bron, Frankreich

c Turner Institute for Brain and Mental Health, Monash University, Melbourne, Australien

d School of Health Sciences, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA

e Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA

f Wellcome Centre for Integrative Neuroimaging, Oxford Centre for Human Brain Activity (OHBA), University of Oxford Department of Psychiatry, Warneford Hospital, Warneford Lane, Oxford, Vereinigtes Königreich

a b s t r a c t:

Das Altern stört das fein abgestimmte Erregungs-/Hemmungsgleichgewicht (E:I) über den Kortex durch eine natürliche Abnahme des Hemmtonus (-Aminobuttersäure, GABA), was zu funktionellen Dekrementen führt. Bei jungen Erwachsenen verbessert die experimentelle Senkung von GABA im sensomotorischen Kortex jedoch einen bestimmten Bereich einer sensomotorischen Funktion: die AnpassungErinnerung. Hier testeten wir die Hypothese, dass sensomotorisches kortikales GABA mit zunehmendem Alter auf natürliche Weise abnimmt, AnpassungErinnerungwürde zunehmen, und ersteres würde letzteres erklären. Die Ergebnisse bestätigten diese Vorhersage. Um die Kausalität zu beweisen, verwendeten wir eine Hirnstimulation, um die sensomotorische kortikale GABA während der Anpassung weiter zu senken. Wie die Stimulation das Gedächtnis veränderte, hing bei den Individuen vom sensomotorischen kortikalen E:I ab. Bei Patienten mit niedrigem E:I nahm die Stimulation zuErinnerung; bei denen mit hoher E:I-Stimulation reduziertErinnerung. Somit identifizierten wir eine Form des motorischen Gedächtnisses, das mit zunehmendem Alter natürlich gestärkt wird, kausal von der Neurochemie des sensomotorischen Kortex abhängt und ein wirksames Ziel für Strategien zum Erhalt motorischer Fähigkeiten beim gesunden Altern und bei der Neurorehabilitation sein könnte.

Cistanche kann das Gedächtnis verbessern

1. Einleitung

Die motorischen Fähigkeiten nehmen mit dem Alter ab (Hunter et al., 2016; Krampe, 2002). Wenn Gehirn und Körper älter werden, verlieren Bewegungen an Geschwindigkeit (Bedard et al., 2002; Jiménez-Jiménez et al., 2011), Kraft (Frontera et al., 2000) und Koordination (Serrien et al., 2000). Dieser natürliche Funktionsverlust wird durch motorische Störungen verstärkt, die mit zunehmendem Alter stark ansteigen (z. B. Schlaganfall, Sarkopenie, Parkinsonismus). Da die ältere Bevölkerung zunimmt (Leeson, 2018), werden Strategien benötigt, um dem altersbedingten motorischen Rückgang entgegenzuwirken und diesen zu kompensieren.

Während des Alterns muss sich das motorische System kontinuierlich an die fortschreitenden neuromuskuloskelettalen Veränderungen anpassen. Die Plastizität des Gehirns ermöglicht dies. Plastizität ist unerlässlich, um neue motorische Fähigkeiten zu erlernen, vorhandene anzupassen und zu erhalten und durch Krankheit beeinträchtigte Funktionen zu rehabilitieren (Dayan und Cohen, 2011; Sampaio-Baptista et al., 2018). Daher spielt die Plastizität eine wichtige Rolle bei der Milderung des altersbedingten motorischen Rückgangs (McNeil und Rice, 2018; Rozycka und Liguz-Lecznar, 2017).

Leider nimmt auch die Plastizität mit zunehmendem Alter ab (Burke und Barnes, 2006), insbesondere im motorischen Bereich (Bhandari et al., 2016; Freitas et al., 2013; Rogasch et al., 2009). Eine Hauptursache ist die Dysregulation des fein abgestimmten Gleichgewichts zwischen kortikaler Erregung und Hemmung (E:I) (Rozycka und Liguz-Lecznar, 2017). Über den gesamten Kortex hinweg ist E:I gestört, weil hauptsächlich berichtet wurde, dass Aminobuttersäure (GABA) – der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter – mit zunehmendem Alter abnimmt,2018), die Fähigkeit, automatische Reaktionen zu unterdrücken (Hermans et al., 2018a), und langsamer wird motorisches Sequenzlernen (King et al., 2020).

Im Gegensatz dazu testeten wir hier die Hypothese, dass, wenn M1 GABA mit zunehmendem Alter abnimmt, eine spezifische Form der motorischen Funktion der oberen Extremitäten – AnpassungErinnerung- würde ansteigen. Anpassung ist die lebenslange Eigenschaft des sensomotorischen Systems, die es dem Einzelnen ermöglicht, Störungen durch Anpassung seiner Bewegungen entgegenzuwirken und so eine erfolgreiche motorische Leistung aufrechtzuerhalten (Franklin und Wolpert, 2011; Wolpert et al., 2011). Nachdem diese Form des Lernens stattgefunden hat und die Störung beseitigt ist, erfolgt die AnpassungErinnerungwird als Nachwirkung (AE) ausgedrückt – eine Bewegungsverzerrung in die der Störung entgegengesetzte Richtung. Die Stärke der AnpassungErinnerungwird durch die zeitliche Persistenz dieses AE indiziert. Es gibt eine Fülle von Beweisen dafür, dass ältere Erwachsene zwar häufig Defizite zeigen, während sie einer sensomotorischen Störung ausgesetzt sind (dh langsamere Fehlerreduktion; Anguera et al., 2011; Bock, 2005; Buch et al., 2003; Fernández-Ruiz et al., 2000; Huang und Ahmed, 2014; Panouillères et al., 2015; Vandevoorde und Orban de Xivry, 2019), bleibt nach Entfernung der Störung das AE erhalten (Bock, 2005; Buch et al., 2003; Hegele und Heuer, 2008 ; Panouillères et al., 2015; Roller et al., 2002; Vandevoorde und Orban de Xivry, 2019) oder sogar erhöht (Fernández-Ruiz et al., 2000; Nemanich und Earhart, 2015; Wolpe et al., 2020). auf jüngere Erwachsene (obwohl siehe: Malone und Bastian, 2016). Von und Sicherheitskontraindikationen für die MRS- und tDCS-Messungen. Das Screening wurde von einem der Experimentatoren durchgeführt, und die Krankengeschichte der Teilnehmer wurde durch Selbstauskunft ermittelt. Von allen Teilnehmern wurde eine schriftliche Einverständniserklärung abgegeben. Die Studie wurde vom UK NHS Research Ethics Committee (Oxford A; REC-Referenznummer: 13/SC/0163) genehmigt. In Experiment 1 führten alle Teilnehmer (= 32) eine Prismenanpassung (PA) und Tests zur kurzen (10- Minuten) und langfristigen (24- Stunden) Retention durch. Eine Teilprobe wurde einem MRS-Scan unterzogen, um die Neurochemie im linken sensomotorischen Kortex (= 22) und in einem anatomischen Kontrollvolumen im okzipitalen Kortex (= 20; Abb. S2) zu messen. Eine Teilstichprobe stimmte zu, auch an Experiment 2 (= 25) teilzunehmen, das aus zwei wöchentlichen PA-Sitzungen in Kombination mit anodischer/Schein-tDCS zu M1 bestand. Vollständige Einzelheiten darüber, welche Messungen für jede Person erhalten wurden, sind in Tabelle S1 zu finden.

In Experiment 1 wurde die Stichprobengröße (= 32) basierend auf einer Leistungsanalyse bestimmt, die in G∗Power (Faul et al., 2007) (Version 3.1.9.2) durchgeführt wurde und sich auf frühere Untersuchungen der Assoziation stützte zwischen Verhalten und altersbedingter GABA-Veränderung im motorischen Bereich (Heise et al., 2013; Hermans et al., 2018a). Die durchschnittliche Effektgröße in diesen Studien war ||=0.52. Um einen Effekt dieser Größe zu erkennen, ist eine Mindeststichprobe von=19 mit einer Wahrscheinlichkeit eines Fehlers 1. Art=0,05 und einer Potenz (1 − )=0,80 (basierend auf a priori einseitige Korrelationsanalyse). Aus neurochemischer Sicht zeigten frühere Arbeiten, dass die experimentelle Senkung des M1-Hemmtonus während der Anpassung durch Hirnstimulation keinen Einfluss auf die Anpassungsrate hatte, aber die Persistenz des AE bei jungen Erwachsenen erhöhte (Galea et al., 2010; O'Shea et al. , 2017). Hier argumentierten wir, dass, wenn die AE-Retention kausal vom M1-Hemmtonus abhängt, diese Form vonErinnerungkann aufgrund einer altersbedingten M1-GABA-Abnahme mit zunehmendem Alter natürlich ansteigen.

Diese Hypothese wurde in einer Querschnittsstudie mit 32 gesunden älteren Erwachsenen (Durchschnittsalter: 67,46 Jahre, Standardabweichung: 8,07) bestätigt. Mithilfe der Magnetresonanzspektroskopie (MRS) zur Quantifizierung der Neurochemie zeigten wir, dass M1 GABA mit zunehmendem Alter abnimmt. Mittels Prismenadaption (PA; von Helmholtz, 1867) zeigten wir, dass die Retention mit zunehmendem Alter zunimmt. EIN

Mediationsanalysen bestätigten anschließend, dass die Anpassung mit zunehmendem Alter von GABA abnimmtErinnerungsteigt, und ersteres erklärt letzteres. Um die Kausalität nachzuweisen, intervenierten wir experimentell mit exzitatorischer anodischer transkranieller Gleichstromstimulation (a-tDCS) – um zu versuchen, M1 GABA weiter zu senken (Antonenko et al., 2017; Kim et al., 2014; Stagg et al., 2009) und damit die Anpassung weiter steigernErinnerung. Im Durchschnitt nahm die Stimulation nicht zuErinnerungin dieser Altersklasse. Vielmehr zeigte eine Moderationsanalyse, wie sich die Stimulation veränderteErinnerunghing vom motorischen kortikalen E:I des Individuums ab. Die Stimulation erhöhte die Retention bei Personen mit niedrigem E:I, verringerte jedoch die Retention bei Personen mit hohem E:I.

Zusammenfassend haben wir einen spezifischen Bereich der motorischen funktionellen Plastizität identifiziert, der sich mit zunehmendem Alter als natürliche Folge des Rückgangs der motorischen kortikalen Hemmung verbessert. Diese Gedächtnisfunktion kann durch Neurostimulation weiter verbessert werden, jedoch nur bei Personen, die am wenigsten von der altersbedingten Dysregulation des motorischen kortikalen E:I betroffen sind. Diese Ergebnisse stellen die vorherrschende Sichtweise des Alterns als unvermeidlichen funktionellen Rückgang in Frage. Während das Erlernen neuer motorischer Fähigkeiten abnehmen kann, verbessert sich die Fähigkeit, die Anpassung bestehender Fähigkeiten aufrechtzuerhalten, mit zunehmendem Alter auf natürliche Weise. Diese AnpassungErinnerungmit zunehmendem Alter auf natürliche Weise verstärkt wird, weist darauf hin, dass es möglicherweise ein ungenutztes Potenzial als Ziel für Trainingsstrategien hat, die darauf abzielen, die motorische Funktion bei gesundem oder pathologischem Altern zu erhalten, zu verbessern oder wiederherzustellen (z. Rossettiet al., 1998).

2. Materialien und Methoden

2.1. Teilnehmer

An dieser Studie nahmen 32 rechtshändige Männer im Alter zwischen 49 und 81 Jahren (Durchschnittsalter: 67,5 Jahre, SD: 8,1) teil. Alle wurden gescreent, um jegliche persönliche oder familiäre Vorgeschichte von neurologischen oder psychiatrischen Störungen auszuschließen. Stichprobengrößen (= 32 für Verhaltensanalysen;=20 für neurochemische Analysen) hatten daher eine ausreichende Aussagekraft. In Experiment 2 wurde die Stichprobengröße basierend auf einer vergleichbaren Leistungsanalyse bestimmt, die durch die in unserer früheren Arbeit (O'Shea et al., 2017) berichtete Größe des Stimulationseffekts informiert wurde. In dieser Studie verstärkte linkes M1 a-tDCS die Langzeitretention bis zu vier Tage nach der Anpassung mit einer Effektgröße von=0,73. Die minimale Stichprobengröße, die erforderlich ist, um einen Effekt von=0,73 mit einer Wahrscheinlichkeit eines Typ-I-Fehlers=0,05 und einer Leistung (1 − )=0,80 zu erkennen, war {{24 }} (basierend auf einer einseitigen Differenz zweier abhängiger Mittelwerte). Um potenziellen Abbrechern Rechnung zu tragen, wurden 26 Teilnehmer rekrutiert. Ein Teilnehmer ging bei der Nachverfolgung der Patientenbindung verloren und wurde daher nicht in die endgültige Stichprobe von=25 aufgenommen.

2.2. Prismenanpassungsprotokoll

In beiden Experimenten wurde die PA mit einem speziell angefertigten automatisierten Gerät durchgeführt (Abb. S1a). Die Teilnehmer saßen mit ihrem Kopf in einer Kinnstütze fixiert und betrachteten einen horizontalen 32--Touchscreen von 32- Zoll durch einen Flüssigkristallanzeige-(LCD-)Verschluss (Dispersionsfilm, Liquid Crystal Technologies, Ohio, USA). Der Touchscreen wurde verwendet, um die visuellen Ziele darzustellen und die Endpunkte der Reichweite aufzuzeichnen, und der LCD-Shutter wurde verwendet, um das visuelle Feedback des Bildschirms und der Extremität zu steuern. An der Stange der Kinnstütze war ein Knopf angebracht, der als Ausgangsposition für alle Zeigebewegungen diente. Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Taste immer gedrückt zu halten und sie nur loszulassen, wenn sie eine Greifbewegung auf ein Ziel einleiteten. Nur bei Nachwirkungsversuchen (AE) löste das Loslassen der Taste aus, dass der LCD-Verschluss undurchsichtig wurde, wodurch die visuelle Rückmeldung der Endpunktgenauigkeit verdeckt wurde. Darüber hinaus verhinderte ein fester Verschluss, dass die Teilnehmer ihre Extremität in der Startposition und während des ersten Drittels ihrer Bewegungsbahn sehen konnten. Die Teilnehmer wurden angewiesen, ihren Finger nicht über die Oberfläche des Touchscreens zu gleiten, sondern den Bildschirm erst am Ende ihrer Greifbewegung zu berühren. Richtfehler wurden als der Winkel berechnet, der zwischen einer geraden Linie, die die Startposition und das Ziel verbindet, und einer geraden Linie, die die Startposition und die aufgezeichnete Landeposition verbindet, gebildet wird. Konventionsgemäß wurden Fehler in Richtung der prismatischen Verschiebung (nach rechts/im Uhrzeigersinn) als positiv kodiert, während Fehler in der entgegengesetzten Richtung (nach links/gegen den Uhrzeigersinn) als negativ kodiert wurden. Die Aufgabe wurde in MATLAB Version 2014b (MathWorks; https://uk.mathworks.com) mit Psychtoolbox (Kleiner et al., 2007) Version 3 programmiert, ausgeführt auf einem MacBook Pro Laptop. Bei jedem Versuch wurden die Teilnehmer durch eine Audio-Sprachaufzeichnung angewiesen, das auf dem Touchscreen angezeigte Ziel mit ihrem rechten Zeigefinger zu erreichen und darauf zu zeigen. Das Ziel könnte sich entweder in der Mitte des Bildschirms (Open-Loop-Versuche) oder 10 cm links oder rechts (Closed-Loop-Versuche) befinden. Der Abstand zwischen den Augen der Teilnehmer und dem zentralen Ziel betrug 57 cm.

Während der PA wechselten die Teilnehmer zwischen zwei Arten von Aufgabenblöcken: Closed-Loop-Pointing (CLP) und Open-Loop-Pointing (OLP). Bei Closed-Loop-Versuchen trugen die Teilnehmer eine 10◦ nach rechts verschiebende Prismenbrille (Gletscherbrille: Julbo, Longchaumois, Frankreich; Linsen: OptiquePeter, Lyon, Frankreich) und wurden angewiesen, schnelle Greifbewegungen auszuführen (mittlere Bewegungsdauer: 452 ms, sd : 119 ms) entweder zum linken oder rechten Ziel in pseudozufälliger Reihenfolge. Die Teilnehmer wurden darin geschult, ihren Finger in der Landeposition zu halten und ihre Bewegung beim nächsten Versuch nach Bedarf zu korrigieren. Strategische Anpassungen und Fehlerkorrektur während des Flugs (Redding und Wallace, 1996; 2001) visuelles Feedback von Schein) während Verhaltenstests zu begrenzen. Dies wurde durch die Verwendung von Verblindungscodes ("Studienmodus" des Stimulators) erreicht, die von einem Forscher bereitgestellt wurden, der nicht an Verhaltenstests beteiligt war. Die Entblindung erfolgte in der Phase der statistischen Analyse, nachdem die Datenerhebung abgeschlossen war.

In Experiment 2 führten die Teilnehmer zwei PA plus tDCS-Sitzungen (anodal/sham, Reihenfolge ausgeglichen) durch, die jeweils mindestens eine Woche voneinander entfernt waren (durchschnittliches Intervall: 10 Tage, sd: 6 Tage). Dieses Intervall wurde gewählt, um sowohl die Wirkung von DCS auf die kortikale Erregbarkeit (Nitsche et al., 2003; Nitsche und Paulus, 2000) als auch die AE auszuwaschen (O'Shea et al., 2017), um eine Rückkehr zu gewährleisten Baseline-Zeigeverhalten und kortikale Erregbarkeit zu Beginn der anderen experimentellen Sitzung. Der Grund für die Stimulation während der PA – im Gegensatz zu vorher oder nachher – bestand darin, dass das erste Drittel jeder Greifbewegung mit dem festen Verschluss verschlossen wurde, wie in früheren Arbeiten (Inoue et al., 2015; O'Shea et al., 2017; 2014). Am Ende jedes Versuchs dauerte die visuelle Rückmeldung der Landeposition 500 ms, nachdem die Berührung aufgezeichnet wurde. Nach dieser Zeit wurde der LCD-Shutter undurchsichtig und die Teilnehmer mussten ohne visuelles Feedback ihrer Hand in die Ausgangsposition zurückkehren (dh die Taste gedrückt halten). Dieses Verfahren beschränkte die Prismenexposition auf die Greifbewegung im Gegensatz zur Rückbewegung. Bei Open-Loop-Versuchen wurden Prismen entfernt und die Teilnehmer wurden angewiesen, auf das zentrale Ziel zu zeigen. Genauigkeit wurde gegenüber Geschwindigkeit betont (mittlere Bewegungsdauer: 799 ms, sd: 135 ms). Bei jedem Versuch wurde ein visuelles Feedback gegeben, indem der LCD-Verschluss beim Einsetzen der Reichweite undurchsichtig wurde, wodurch die Sicht auf das Ziel, den Reichweiten- und Endpunktfehler und die Rückkehrbewegung verdeckt wurde. Dadurch konnte das nach links gerichtete AE gemessen werden, ohne dass sich die Teilnehmer als Reaktion auf visuelles Fehlerfeedback aktiv deadaptierten.

In beiden Experimenten wurde bei jeder PA-Sitzung die Zeigegenauigkeit während der Grundlinie, der Anpassung, der kurzfristigen (10- Minuten) und der langfristigen Retention (24- Stunden) gemessen; Abb. S1. Die Baseline-Pointing-Genauigkeit bei geschlossenem und offenem Regelkreis wurde in zwei Blöcken von 20 bzw. 30 Versuchen gemessen. Die Anpassung besteht aus abwechselnden Paaren von Zeigeblöcken mit geschlossener und offener Schleife, sechs in Experiment 1 und sieben in Experiment 2 (Abb. S1). Die Retention des AE wurde 10-Minuten und 24-Stunden nach dem Ende der PA mit einem einzigen Block von 45 Open-Loop-Versuchen gemessen. In Experiment 2 folgte auf die 10--Minutenretention eine Auswaschphase, in der die Teilnehmer zeigten, ohne Prismen zu tragen, ihre Linksfehler beobachteten und daher deadaptierten. Washout bestand aus 40 Closed-Loop-Versuchen und 45 Open-Loop-Versuchen, die auf sechs verschachtelte Blöcke verteilt waren (Abb. S1b). Der Zweck des Auswaschens war zweifach. Erstens ermöglichte es uns zu untersuchen, ob das höhere Alter im Scheinzustand mit einem Versagen der Deadaptation verbunden war, was eine stärkere UE zu einem späteren Zeitpunkt erklären könnte (siehe ergänzende Ergebnisse). Zweitens haben wir argumentiert, dass, wennErinnerungDie Bildung wurde durch die Stimulation während der PA verstärkt, dann störte die Auswaschung eher die langfristige Retention im Scheinzustand als im anodischen Zustand, was die Empfindlichkeit erhöhen könnte, um den Effekt der Stimulation nach 24- Stunden zu erkennen.

2.3. Transkranielle Gleichstromstimulation

In Experiment 2 wurde tDCS von einem batteriebetriebenen DC-Stimulator (Neuroconn GmbH, Ilmenau, Deutschland) geliefert, der mit zwei 7 × 5 cm großen Schwammelektroden verbunden war, die in 0,9-prozentiger Kochsalzlösung getränkt waren. Die anodische Elektrode wurde gemäß dem internationalen 10-20-Elektrodensystem (Herwig et al., 2003) über C3 (5 cm lateral von Cz) zentriert, was dem linken primären motorischen Kortex entspricht. Die Kathode wurde über dem rechten Augenhöhlenkamm platziert. Während der anodischen tDCS wurde die Stimulation bei 1 mA für 20 min während der gesamten Anpassungsphase angewendet, wie in unserer vorherigen Arbeit (O'Shea et al., 2017). Die Impedanz wurde online überwacht und während der Stimulation jederzeit unter 10 kOhm gehalten. Der Strom stieg und senkte sich über einen Zeitraum von 10 s zu Beginn und Ende der Stimulation. Während der Schein-tDCS war das Verfahren identisch, außer dass während der 20 Minuten keine Stimulation abgegeben wurde. Stattdessen traten kleine Stromimpulse (110 A über 15 ms) alle 550 ms auf, um das vorübergehende Kribbeln zu simulieren, das mit einer echten Stimulation verbunden ist. Sowohl Experimentatoren als auch Teilnehmer waren gegenüber der Stimulationsbedingung (anodal oder mitErinnerungBildungsprozesse, die während der Exposition gegenüber der visuellen Verschiebung auftreten, von der bekannt ist, dass sie mit einer langfristigen Retention zusammenhängt (Inoue et al., 2015; Joiner und Smith, 2008; Kording et al., 2007; Smith et al., 2006). Wir haben zuvor gezeigt, dass M1 a-tDCS, das vor – im Gegensatz zu während – angewendet wurde, keine Auswirkung auf die Anpassung hatteErinnerung, was die Bedeutung der Wechselwirkung zwischen Neurostimulation und gleichzeitigem kognitivem Zustand demonstriert (O'Shea et al., 2017).

2.4. MRS-Erfassungsprotokoll

MRS-Daten wurden am Oxford Centre for Clinical Magnetic Resonance Research (OCMR, University of Oxford) auf einem {{0}}Tesla-Ganzkörper-MR-Scanner von Siemens Trio und unter Verwendung einer 32-Kanalspule erfasst . Hochauflösende T1--gewichtete strukturelle MR-Bilder (MPRAGE; 224 × 1 mm axiale Schichten; TR/TE=3000/4,71 ms; Flipwinkel=8◦; FOV=256; Voxelgröße=1 mm isotrop; Scanzeit=528 s) wurden für MRS-Voxelplatzierungs- und -registrierungszwecke erfasst. MRS-Daten wurden von zwei interessierenden Volumina (VOIs; Voxelgröße=2 × 2 × 2 cm3) in zwei aufeinanderfolgenden Akquisitionen erfasst. Das erste VOI war auf dem linken Motorhandknopf zentriert (Yousry et al., 1997) und umfasste Teile des prä- und postzentralen Gyrus (Abb. S2c). Das zweite (anatomische Kontroll-)VOI war bilateral auf den Sulcus calcarinus im Okzipitallappen (visueller Kortex) zentriert (Engel et al., 1997; Ip et al., 2017; Lunghi et al., 2015) (Abb. S2c ). Diese Kontrollregion wurde ausgewählt, weil sie unseres Wissens nicht an der Entwicklung und/oder Retention von Prismen-AE beteiligt war (zur Übersicht siehe: Panico et al., 2020; Petitet et al., 2017). B0-Shimming wurde mit einem GRESHAM (64 × 4,2 mm axiale Schnitte, TR=862,56 ms, TE1/2=4,80/9,60 ms, Flipwinkel=12◦ , FOV {{ 40}}, Scandauer=63 Sekunden). MR-Spektroskopiedaten (Spektren) wurden unter Verwendung einer semi-adiabatischen Lokalisierung durch adiabatische selektive Refokussierung (Semi-LASER)-Sequenz (TR/TE=4000/28 ms, 64 Scan-Mittelwerte, Scanzeit=264 Sekunden) erfasst. mit Hochfrequenzimpulsen variabler Leistung mit optimierten Relaxationsverzögerungen (VAPOR), Wasserunterdrückung und Außenvolumensättigung (Deelchand et al., 2015; Öz und Tkáč, 2011). Zusätzlich wurden nicht unterdrückte Wasserspektren von denselben VOIs erfasst, um verbleibende Wirbelstromeffekte zu entfernen und die Phased-Array-Spektren zu rekonstruieren (Natt et al., 2005). Single-Shot-Akquisitionen wurden separat gespeichert (Single-Shot-Akquisitionsmodus), dann frequenz- und phasenkorrigiert, bevor über 64 Scans gemittelt wurde.

2.5. MRS-Datenanalyse

Metaboliten wurden unter Verwendung von LCModel (Provencher, 2012; 1993; 2001) quantifiziert, das mit allen Spektren innerhalb des Bereichs der chemischen Verschiebung von 0,5 bis 4,2 ppm durchgeführt wurde. Die Modellspektren wurden basierend auf zuvor berichteten chemischen Verschiebungen und Kopplungskonstanten des Vespa-Projekts (Versatile Stimulation, Pulses, and Analysis) generiert. Das aus dem interessierenden Volumen erfasste nicht unterdrückte Wassersignal wurde verwendet, um Wirbelstromeffekte zu entfernen und die Phased-Array-Spektren zu rekonstruieren (Natt et al., 2005). Einzelabtastspektren wurden vor der Summierung auf Frequenz- und Phasenvariationen korrigiert, die durch Objektbewegungen induziert wurden. Glutaminsäure (Glx) wurde in der aktuellen Studie verwendet, da mit einem 3T-MRT-Scanner nicht zwischen Glutamat und Glutamin unterschieden werden kann. Um zu vermeiden, dass die Stichprobe in Richtung hoher Konzentrationsschätzungen verzerrt wird, wurde die erwartete relative Cramér-Rao-Untergrenze (CRLB) für jeden einzelnen Datensatz unter Berücksichtigung der Konzentrationsschätzung und der Annahme eines konstanten Rauschpegels über alle Messungen hinweg berechnet (siehe Zusatzinformationen für detaillierte Methoden). Datensätze, bei denen das Pearson-Residuum zwischen dem erwarteten und dem beobachteten relativen CRLB 2 überstieg, wurden von der nachfolgenden Analyse ausgeschlossen. Unter Verwendung dieses Qualitätsfilterkriteriums für -Aminobuttersäure (als GABA bezeichnet), Glutamix (Glutamin plus Gutamat, als Glx bezeichnet) und Gesamtkreatin (Kreatin plus Phosphokreatin, als TCR bezeichnet) wurden vier V1-MRS-Datensätze und kein M1-MRS-Datensatz verworfen.

Die Gewebekorrektur ist ein wichtiger Schritt in der MRS-Datenanalyse, insbesondere bei älteren Erwachsenen aufgrund von Hirnatrophie, die vorgeschlagen wurde, um der Standardoption der "tab_model"-Funktion des sjPlot-Pakets in R (Lüdecke , 2021). Wir haben LMM-Modellparameter direkt verglichen, um die neuroanatomische und neurochemische Spezifität festzustellen. Modellparameter wurden mit einem allgemeinen linearen Hypothesentest unter Verwendung des Multi-Comp-Pakets in R (Hothorn et al., 2008) verglichen. Zu Visualisierungszwecken zeigen die Fign. 1b , 3 und 6b zeigen blockgemittelte Daten als Maß für die Retention, aber die statistischen Analysen wurden an individuellen Versuchsdaten mit zufälligen Abschnitten und Steigungen durchgeführt. Maße für die Effektstärke sind

berichtet für alle wesentlichen Analysen unter Verwendung des Effektgrößenpakets (Ben-Shachar et al., 2020) in R. Cohens d wurde verwendet, um die Effektgrößen für einen t-Test bei einer Stichprobe gegen Null für kurz- und langfristige Retention in zu berechnen Ex-um zumindest teilweise den häufig beobachteten altersbedingten Rückgang der MRS-gemessenen GABA-Spiegel zu berücksichtigen (Maes et al., 2018; Porges et al., 2017b). LCmodel gibt Metabolitenkonzentrationen für ein gesamtes interessierendes Volumen aus. Wenn also der Anteil an neuralem Gewebe innerhalb eines interessierenden Volumens aufgrund altersbedingter Atrophie gering ist (Good et al., 2001), werden auch die Schätzungen der Metabolitenkonzentration zwangsläufig darunter liegen. Es wurden mehrere Gewebekorrekturtechniken vorgeschlagen, um diese potenzielle Verwirrung zu berücksichtigen, wobei derzeit kein Konsens in der Literatur besteht (Harris et al., 2015; Maes et al., 2018; Porges et al., 2017b). Die meisten dieser Techniken machen Annahmen über die Verteilung des interessierenden Metaboliten innerhalb der verschiedenen Gewebekompartimente. Solche Annahmen gelten jedoch möglicherweise nicht über die gesamte Lebensdauer, da der normale Alterungsprozess einige Kompartimente stärker als andere beeinflussen kann. Daher verwendeten alle in diesem Artikel berichteten Analysen nicht gewebekorrigierte Konzentrationsschätzungen und schlossen stattdessen den Prozentsatz der grauen Substanz (GM) und der weißen Substanz (WM) im MRS-Voxel als uninteressante Störvariablen ein (wie in Scholl et al., 2017). Da dieser partielle Volumenkorrekturansatz keine Annahmen über die Verteilung von GABA und Glx innerhalb der verschiedenen Gewebetypen macht, ist er besonders geeignet für die vorliegende Studie (in der die Teilnehmer im Alter von 49 bis 81 Jahren waren) und kontrolliert daher die Atrophie, während sie verbleibt agnostisch über die unterschiedlichen Auswirkungen des Alterns auf Gewebetypen. Die prozentualen Anteile an grauer Substanz, weißer Substanz und Cerebrospinalflüssigkeit in den VOIs wurden mit dem automatisierten Segmentierungstool von FMRIB berechnet (Zhang et al., 2001). Sie werden zusammen mit MRS-Datenqualitätsmetriken in Tabelle S2 angegeben.

Bei allen Personen korrelierte die Schätzung der Gesamtkreatinkonzentration (TCR) negativ mit dem Alter im M1-Voxel ((21)=−0.46,=0.04). ), obwohl nicht im Voxel V1 ((17)=−0.06,=0.81; Abb. S2b). Aufgrund dieser Verwechslung mit dem Alter konnte TCR nicht als gültige interne Referenz für Metabolitenschätzungen verwendet werden. Daher haben wir in dieser Arbeit absolute Konzentrationsschätzungen für GABA und Glx verwendet, anstatt die Daten als Verhältnisse von TCR auszudrücken.

2.6. statistische Analyse

Statistische Verhaltensanalysen wurden in R (R Core Team, 2017) durchgeführt. Um interindividuelle Unterschiede in der Zeigegenauigkeit vor der Anpassung zu kontrollieren, wurden die Endpunktfehlerdaten aller Studien durch Subtrahieren des durchschnittlichen Zeigefehlers bei der Grundlinie (über linke/rechte Ziele für Blöcke mit geschlossener Schleife; mittleres Ziel für Blöcke mit offener Schleife) normalisiert ). Sofern nicht anders angegeben, waren alle statistischen Tests zweiseitig. Die Analysen wurden unter Verwendung linearer Regression durchgeführt und umfassten Prüfungen der folgenden Annahmen: 1) Linearität, 2) Homogenität der Varianz und 3) Normalität der Residuen. Diese Annahmen wurden visuell unter Verwendung von Diagrammen von Residuen vs. beobachteten Werten (Linearität), angepassten Werten vs. Residuen (Homogenität der Varianz) und der Verteilung von Residuen (Normalität von Residuen) untersucht. Lineare Mixed-Effects-Modelle (LMMs) wurden für Analysen mit einer Längsschnitt-/Messwiederholungskomponente (z. B. Anpassung, Retention) verwendet, indem Schnittpunkte und Steigungen als zufällige Effekte der Teilnehmer einbezogen wurden. Dieser Ansatz hat zwei Vorteile im Vergleich zu Varianzanalysen mit wiederholten Messungen (ANOVAs): Er ermöglichte es uns, 1) auch Verhaltensdynamiken innerhalb eines Blocks zu berücksichtigen, im Gegensatz zu nur Blockdurchschnittsfehlern, und 2) zufällige Quellen interindividueller Variabilität zu dissoziieren sinnvolle. Alle Modellspezifikationen sind in ergänzenden Tabellen angegeben. P-Werte wurden unter Verwendung des Wald-Tests geschätzt, der in Experiment 1 und für gepaarte Stichproben t-Tests von Schein- versus anodischer Stimulation auf Kurz- und Langzeitretention in Experiment 2 darstellt. Ungefähres partielles Eta-Quadrat () für lineare gemischte Effektregressionsanalysen, um den Anteil der Varianz zusammenzufassen, der mit einem bestimmten festen Effekt verbunden ist. Für die Interpretation von Effektstärken wurden Faustregeln vorgeschlagen. Diese Normen für Cohens d sind: small=[0.2{{30}}; 0.49]; mittel=[0,5; 0.79]; groß Größer als oder gleich 0.8. Die Normen für sind: klein=[0.01; 0,05]; mittel=[0,06; 0,13]; groß Größer oder gleich 0,14 (Cohen, 2013).

In Experiment 2 wurde die mittlere OLP- und CLP-Grundliniengenauigkeit auf zwei Arten analysiert. Überprüfen Sie zunächst, ob kein Ordnungseffekt vorliegt (PA-Sitzung 1 vs. PA-Sitzung 2; unter Verwendung paarweiser t-Tests). Zweitens, um das Fehlen eines Stimulationsbedingungseffekts zu überprüfen (anodale tDCS-Sitzung vs. Schein-tDCS-Sitzung; unter Verwendung paarweiser t-Tests an denselben Daten, neu geordnet nach Neurostimulationsbedingung). Die erstgenannte Analyse stellte sicher, dass das einwöchige Washout-Intervall wirksam war (d. h. die Auswirkungen auf das Verhalten von Sitzung 1 waren bis zum Beginn von Sitzung 2 verschwunden), und die letztere stellte sicher, dass Leistungsunterschiede zwischen den anodischen und den Schein-tDCS-Bedingungen auf a zurückgeführt werden konnten Neurostimulationseffekt im Gegensatz zu zufälligen systematischen Unterschieden, die bereits zu Studienbeginn vorhanden sind. Um die statistische Evidenz zugunsten der Abwesenheit von Unterschieden (dh was wir erreichen wollten) zu quantifizieren, wurde für diese Qualitätskontrollanalysen ein Bayes-Faktor (01) berechnet. Ein 01 > 3 wurde als wesentlicher Beweis für das Nichtvorhandensein eines Unterschieds angesehen, was mit einer angemessenen Auswaschung zwischen den beiden experimentellen Sitzungen übereinstimmte.

Da GABA aus Glutamat synthetisiert wird, sind die Konzentrationen dieser beiden Neurotransmitter im Gehirn typischerweise positiv korreliert (Jocham et al. (2012); Stagg et al. (2011a); in unserem Datensatz M1 GABA × M1 Glx: (20)=0.34,=0.13; V1 GABA × V1 Glx: (14)=0.16,=0.55). Daher wurde bei der Analyse der Beziehung zwischen der absoluten Konzentration in GABA oder Glx innerhalb eines Voxels und dem Ergebnis auch die Konzentration des anderen Neurotransmitters (GABA oder Glx) in das Modell aufgenommen. Darüber hinaus wurden in allen Modellen, die neurochemische Daten enthielten, auch die Konzentrationen der grauen und weißen Substanz als uninteressante Kovariaten eingeschlossen.

Eine Mediationsanalyse wurde verwendet, um die "mechanistischen" Verbindungen zu charakterisieren, die den beobachteten Korrelationen zwischen Alter, Neurochemie und Retention zugrunde liegen. Dies wurde unter Verwendung des R-Pakets Mediation für die kausale Mediationsanalyse durchgeführt (Imai et al., 2010). Die Mediation wurde unter Verwendung von Regression mit nichtparametrischem Bootstrapping (10, 000 Resamples) durchgeführt, um festzustellen, ob der M1-Hemmtonus für den Zusammenhang zwischen Alter und Langzeitretention verantwortlich war. Das Modell umfasste: Alter als unabhängige Variable (X); absolute Konzentrationen von M1 GABA und Glx als Mediatoren (M1, M2); Blockgemittelte Retention bei 24- Stunden als abhängige Variable (Y) (Blockdurchschnittsfehler normalisiert durch die Grundlinie für jede Person) und Kontrolle für den Anteil von GM und WM im M1-Voxel (C1, C2). Die prozentuale Vermittlung () wurde als Anteil der indirekten Wirkung (ab1 oder ab2) an der Gesamtwirkung (c) berechnet.