Zielen auf das frontoparietale Netzwerk mittels bifokaler transkranieller Wechselstromstimulation während einer motorischen Sequenz-Lernaufgabe bei gesunden älteren Erwachsenen, Teil 1

abstrakt

Hintergrund: Gesunde ältere Erwachsene zeigen eine Abnahme der motorischen Leistungsfähigkeit und motorischen Lernfähigkeit sowie der Arbeitsgedächtnisleistung (WM). Es wurde vermutet, dass WM an motorischen Lernprozessen wie dem Sequenzlernen beteiligt ist. Korrelationsnachweise haben gezeigt, dass das frontoparietale Netzwerk (FPN), ein Netzwerk, das WM-Prozessen zugrunde liegt, am Lernen motorischer Sequenzen beteiligt ist.

Motorisches Lernen bezieht sich auf Methoden zur Verbesserung der Lerneffizienz und des Gedächtnisses durch Sport, Musik, Tanz, Kampfsport usw. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lernmethoden legt motorisches Lernen mehr Wert auf die koordinierte Funktion von Körper und Gehirn, wodurch das Lernen entspannter und angenehmer wird .

Der Einfluss des motorischen Lernens auf das Gedächtnis ist sehr bedeutend. Durch Bewegung können wir den Stoffwechsel des Körpers verbessern, die Durchblutung beschleunigen und das Gehirn vollständig mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen. Gleichzeitig kann motorisches Lernen auch den Hippocampus im Gehirn stimulieren, einen wichtigen Gedächtnisspeicherbereich, der uns dabei helfen kann, uns Wissen besser zu merken und zu verstehen.

Darüber hinaus kann motorisches Lernen auch die Konzentration und Konzentrationsfähigkeit des Menschen verbessern. Während des Trainings schüttet der menschliche Körper große Mengen an Neurotransmittern wie Dopamin und Adrenalin aus, die dazu führen können, dass wir uns positiver und energiegeladener fühlen. Dies ist für uns sehr hilfreich, um uns besser auf Lernaufgaben konzentrieren zu können.

Beim motorischen Lernen können wir zwischen verschiedenen Übungsmethoden wählen, z. B. Seilspringen, Basketball spielen, Tanzen, Yoga usw. Verschiedene Übungsmethoden haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Gehirn. Tanzen kann uns beispielsweise dabei helfen, den Rhythmus des Körpers besser zu kontrollieren und das räumliche Bewusstsein zu verbessern. Basketballspielen kann uns helfen, die äußere Umgebung besser wahrzunehmen und mit komplexen Situationen umzugehen.

Kurz gesagt, motorisches Lernen spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung unserer Lerneffizienz und unseres Gedächtnisses. Wir sollten Bewegung in das tägliche Lernen integrieren, die Synergie von Körper und Gehirn voll ausnutzen und mit mehr Freude lernen und wachsen. Es ist ersichtlich, dass wir unser Gedächtnis verbessern müssen. Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola ein traditionelles chinesisches Arzneimittel mit vielen einzigartigen Wirkungen ist, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Hackfleisch beruht auf den verschiedenen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Säure, Polysaccharide, Flavonoide usw. Diese Inhaltsstoffe können die Gesundheit des Gehirns auf verschiedene Weise fördern.

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Allerdings fehlen derzeit kausale Beweise. Studien zur nicht-invasiven Hirnstimulation (NIBS) haben sich bisher überwiegend auf motorbezogene Bereiche konzentriert, um das Lernen motorischer Sequenzen zu verbessern, während Bereiche, die mit eher kognitiven Aspekten des motorischen Lernens verbunden sind, noch nicht angesprochen wurden. Hypothese: In dieser Studie wollen wir kausale Beweise liefern für die Beteiligung von WM-Prozessen und des zugrunde liegenden FPN an der erfolgreichen Durchführung einer Lernaufgabe für motorische Sequenzen durch Verwendung der thetatranskraniellen Wechselstromstimulation (tACS), die auf das FPN während einer Lernaufgabe für motorische Sequenzen abzielt.

Methoden: In einer Kohorte von 20 gesunden älteren Erwachsenen wendeten wir während einer Sequenzlernaufgabe bifokales tACS im Theta-Bereich auf den FPN an. Mithilfe eines doppelblinden Crossover-Designs haben wir die Wirksamkeit der aktiven Stimulation im Vergleich zur Scheinstimulation getestet. Es wurden zwei Versionen der motorischen Aufgabe verwendet: eine mit hoher und eine mit niedriger WM-Belastung, um die Wirksamkeit der Stimulation bei Aufgaben mit unterschiedlicher WM-Anforderung zu untersuchen. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Stimulation auf die WM-Leistung mithilfe einer N-Back-Aufgabe untersucht. Die tACS-Frequenz wurde mithilfe eines EEG personalisiert, das die individuelle Theta-Peak-Frequenz während der N-Back-Aufgabe misst.

Ergebnisse: Die Anwendung personalisierter Theta-tACS auf das FPN verbesserte die Leistung während der Motorsequenz-Lernaufgabe bei einer hohen WM-Belastung (p < 0,001), jedoch nicht bei einer niedrigen WM-Belastung. Die aktive Stimulation verbesserte sowohl die Geschwindigkeit (p < 0,001) als auch die Genauigkeit (p=0,03) während der Aufgabe mit hoher WM-Belastung erheblich. Darüber hinaus verbesserte das Stimulationsparadigma die Leistung bei der N-Back-Aufgabe für die 2- back task(p ¼ .013), aber nicht für 1-back und 3-back.

Schlussfolgerung: Die Leistung während einer Lernaufgabe für motorische Sequenzen kann durch personalisiertes bifokales Theta-tACS zum FPN bei hoher WM-Belastung verbessert werden, was darauf hinweist, dass die Wirksamkeit dieses Stimulationsparadigmas von der kognitiven Anforderung während der Lernaufgabe abhängt. Diese Daten liefern weitere kausale Belege für die entscheidende Beteiligung von WM-Prozessen und des FPN während der Ausführung einer motorischen Sequenzlernaufgabe bei gesunden älteren Menschen. Diese Erkenntnisse eröffnen neue spannende Möglichkeiten, dem altersbedingten Rückgang der motorischen Leistungsfähigkeit, Lernfähigkeit und WM-Leistung entgegenzuwirken.

1. Einleitung

Die Fähigkeit, sich neue motorische Fähigkeiten anzueignen, ist im täglichen Leben wichtig. Motorisches Lernen ist ein praxisabhängiger Prozess, bei dem Bewegungen schneller und genauer ausgeführt werden [1]. Umfangreiche Forschungsarbeiten haben zu einem besseren Verständnis der neuronalen Substrate und zugrunde liegenden Mechanismen beigetragen, die am Erwerb, der Festigung und dem Erhalt neuer motorischer Fähigkeiten beteiligt sind. Neurowissenschaftliche Studien haben sich hauptsächlich auf das motorische Netzwerk und die zentrale Rolle des primären motorischen Kortex (M1) konzentriert. 2e4].

Dies gilt insbesondere für Studien zur nicht-invasiven Hirnstimulation (NIBS), die versuchen, das motorische Lernen zu verbessern, indem sie das Üben einer anspruchsvollen motorischen Aufgabe mit einem Stimulationsparadigma kombinieren [5e8]. Studien deuten jedoch darauf hin, dass anspruchsvolle motorische Aufgaben wie das Lernen motorischer Sequenzen (MSL) nicht ausschließlich auf motorischen Prozessen beruhen, sondern auch auf kognitiven Prozessen wie dem Arbeitsgedächtnis (WM) [4,9,10]. Überraschenderweise waren WM-bezogene Gehirnbereiche kein Ziel für NIBS-Paradigmen, die MSL untersuchen sollen.

MSL ist ein Prozess, bei dem unabhängige Bewegungen verknüpft werden, was letztendlich zu einer Sequenz mit mehreren Elementen führt, die schnell und genau ausgeführt werden kann [4,11]. Studien haben die Beteiligung von WM an MSL gezeigt [12–14]. WM bezieht sich auf die Fähigkeit, Informationen vorübergehend im Kopf zu speichern und zu manipulieren [15]. Die interindividuelle Variabilität bei WM besteht beispielsweise aus der Anzahl der Elemente, die gehalten und mit denen gearbeitet werden kann [4]. Dies ist für MSL wichtig, insbesondere während des Gruppierens von Elementen der Sequenz in „Chunks“.

Dieser Chunking-Prozess führt zu einer schnelleren Ausführung der Bewegungen [16e18]. Viele Studien haben gezeigt, dass bei gesunden älteren Menschen die Fähigkeit, motorische Abläufe zu erlernen, nachlässt [12,14]. Darüber hinaus verringern sich mit zunehmendem Alter die kognitiven Funktionen, einschließlich WM [19]. Daher wurde kürzlich eine Wechselwirkung zwischen Alter, WM-Kapazität und MSL vorgeschlagen [14], obwohl die kausale Evidenz für diesen Vorschlag begrenzt bleibt.

Eine vielversprechende Neurotechnologie zur Erbringung kausaler Beweise ist der Einsatz von NIBS, beispielsweise der transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS) [20–23]. Diese Technik ermöglicht es, exogen in die laufende Oszillationsaktivität einzugreifen und auf bestimmte Netzwerke wie das fronto-parietale Netzwerk (FPN) abzuzielen, um bestimmte kognitive Funktionen wie WM-Prozesse zu verbessern oder zu verringern[24,25].

Das FPN, ein mit WM verwandtes Netzwerk, wird während motorischer Sequenzaufgaben aktiviert [18,26e29]. Kognitive Prozesse beruhen auf koordinierten Interaktionen innerhalb und zwischen Gehirnnetzwerken, die im Gehirn durch oszillierende Aktivität umgesetzt werden [30,31]. Beispielsweise wird die Effizienz durch die oszillierende Synchronisation neuronaler Feuer erhöht, wodurch Ensembles von Neuronen entstehen, die spezifische Rechenfunktionen ausführen [31,32]. Der Hauptwirkungsmechanismus von tACS besteht darin, neuronale Netzwerke mitzureißen oder zu synchronisieren[20,33].

Die Stimulationsfrequenz wird an die endogene Schwingungsfrequenz und den Gehirnzustand angepasst. Genauer gesagt ermöglicht tACS eine exogene Interaktion mit laufenden Schwankungen, was zu einer verbesserten Kohärenz innerhalb von Netzwerken mit entsprechenden Auswirkungen auf das Verhalten führen kann [23,33,34]. Neuronale Schwingungen im Theta-Bereich (4e8 Hz) sind an WM-Aufgaben beteiligt, wobei die Theta-Leistung bei erhöhter WM-Belastung zunimmt[35–37]. Polania et al. und Violante et al. haben einen kausalen Zusammenhang zwischen der Synchronisation von Theta-Oszillationen mit einer relativen Phasendifferenz von 0⁰ im FPN und der Verbesserung der WM-Leistung gezeigt [24,25]. Es fehlen jedoch Kenntnisse über die Auswirkungen der ACS-induzierten Synchronisation von Theta-Oszillationen im FPN und MSL.

In dieser Studie wollten wir einen kausalen Zusammenhang zwischen WM und MSL bei gesunden älteren Erwachsenen ermitteln. Zu diesem Zweck wurde personalisiertes Theta-tACS auf den rechten dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) und den hinteren parietalen Kortex (PPC) angewendet, um die MSL durch das Training der Sequential Finger Tapping Task (SFTT) zu verbessern [3]. Um die Bedeutung von WM während MSL zu bewerten und wie diese durch die FPN-Stimulation beeinflusst wird, wurden zwei Versionen des SFTT verwendet. Die Versionen unterschieden sich hinsichtlich niedriger vs. hoher WM-Last.

Die WM-Last wurde niedrig gehalten, indem die Sequenz während der Aufgabe explizit auf einem Bildschirm angezeigt wurde [38]. In der Version mit hoher WM-Last musste die Sequenz vor der Aufgabe gespeichert werden und wurde während der Aufgabe nicht angezeigt. Diese Online-Aufrechterhaltung des Ablaufs bei der Ausführung der Bewegungen basiert maßgeblich auf WM-Prozessen [39].

Darüber hinaus überprüfen wir, ob das vorliegende Stimulationsparadigma die WM durch den Einsatz einer N-Back-Aufgabe verbessert [24]. Mit dieser Studie stellen wir den FPN als zusätzlichen Stimulationszielort für die motorische Leistung und Lernverbesserung vor und beleuchten die Bedeutung der Berücksichtigung kognitiver Prozesse bei MSL-Paradigmen.

2. Methoden

2.1. Teilnehmer

In dieser Studie haben wir N=21 gesunde, ältere, rechtshändige Teilnehmer rekrutiert (N=11 weiblich, Durchschnittsalter ± Standardabweichung: 69,6 ± 4,4, mittlerer Lateralitätsquotient, Edinburgh-Händigkeitsinventar 85,03 ± 17,3)[40]. Die Daten von N=20 Teilnehmern wurden berücksichtigt, da ein Teilnehmer aufgrund einer nicht damit zusammenhängenden Veränderung der körperlichen Gesundheit ausfiel. Einschlusskriterien waren: 60 Jahre [41–43], Rechtshänder und keine Kontraindikationen für die transkranielle Elektrostimulation (tES).

Ausschlusskriterien waren: neuropsychiatrische Erkrankungen, Anfallsgeschichte in der Vorgeschichte, Medikamente, die möglicherweise mit tES interagieren, Muskel-Skelett-Dysfunktion, die die Fingerbewegungen beeinträchtigt, professioneller Musiker und Einnahme von Betäubungsmitteln. Alle Teilnehmer haben eine Einverständniserklärung unterzeichnet. Die Studie wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt [44]. Die ethische Genehmigung wurde von der kantonalen Ethikkommission in Waadt, Schweiz (Projektnummer: 2017-00765) eingeholt.

2.2. Experimentelles Design

Das Design dieser Studie war doppelblind, scheinkontrolliert und Cross-over. Es bestand aus zwei Sitzungen vor dem Crossover und zwei Sitzungen nach dem Crossover. Während der Sitzung am ersten Tag wurden die Teilnehmer informiert, überprüft und gebeten, drei verschiedene Fragebögen auszufüllen (tES-Sicherheitsfragebogen, Edinburgh HandednessInventory (EHI), Centre for Epidemiological Studies DepressionScale (CES-D)) [40,45]. Anschließend führten die Teilnehmer einen Nback-Test mit EEG-Erfassung zur Spitzenfrequenzanalyse durch.

Im Anschluss an die EEG-Messung absolvierten die Teilnehmer das motorische Training und das kognitive Training mit gleichzeitigem tACS. Am nächsten Tag führten die Teilnehmer nur das motorische Training mit tACS durch. Die Stimulationsbedingungen blieben an beiden aufeinanderfolgenden Tagen gleich und wurden nach dem Cross-Over geändert. Die Reihenfolge der Stimulation wurde pseudo-randomisiert von einem Experimentator definiert, der nicht an der Datenerfassung beteiligt war.

Die Stimulationsblindheit sowohl des Teilnehmers als auch des Experimentators wurde durch einen zusätzlichen Experimentator sichergestellt, der während des Experiments die Parameter einstellte und die Stimulatoren einschaltete. Zwischen den Vorher- und Nachher-Crossover-Sitzungen lag ein Mindestzeitraum von zwei Wochen, basierend auf unserer vorherigen Arbeit [46]. Dieselben Aufgaben mit unterschiedlicher Reihenfolge wurden nach der Überkreuzung wiederholt, mit Ausnahme der Fragebögen. Den Zeitplan des Studiendesigns finden Sie in Abb. 1 A.

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