[論文レビュー] The Shift in brain-state induced by tDCS: an EEG study

Milena Čukić, Miodrag Stokić+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Transcranial Magnetic Stimulation Studies参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、16名の健常被験者を対象に、EEGを用いてtDCS誘発の脳状態ダイナミクスの変化を再帰的定量分析（RQA）指標、特に平均状態遷移（MSS）と状態分散（SV）を用いて調査した。結果として、極性特異的効果が示された：陰極tDCSは陽極刺激と比較してMSSを有意に低下させたが、SVは陰極刺激でのみ影響を受けており、神経状態の異なる調節様式が示唆された。主成分分析（PCA）の可視化により、tDCS後の脳状態パターンが明確に分離されたことが明らかとなり、tDCSの神経生理的影響について新たな知見が得られた。

ABSTRACT

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is known to have a modulatory effect on neural tissue and that it is polarity specific. It is also shown that tDCS demonstrated the lasting effect in therapeutic applications. The main aim of the study was to examine the effects of tDCS on cortical dynamics by analyzing EEG recordings. We applied here measures taken from Recurrence Quantification Analysis, Mean State Shift (MSS) and State Variance (SV) which were previously used to detect changes in brain-state dynamics after TMS. The studied cohort comprised of 16 healthy subjects; all subjects received anodal and cathodal tDCS, which were given in two separate sessions on the same day. The EEG was recorded from 10 electrodes, positioned over left motor cortex and mirroring right cortex corresponding to 10/20 standard. From three traces of recordings (pre, post1 and post2/before the stimulation, immediately after and 30min after tDCS) we extracted five different intervals (T1-T5) comprising of 500 samples. After calculating MSS and SV on those epochs and statistical testing for a significant difference, we applied Principal Component Analysis (PCA) on the same time series to check whether the data are separable. The results show that tDCS exert polarity specific effects on the MSS as shown by significantly lower MSS values after cathodal stimulation compared to anodal stimulation. Cathodal stimulation affected the SV, as compared to anodal stimulation, which did not lead to detectable changes. We are offering here for the first time an informative PCA visualization of a time-effect of a tDCS stimulation on brain state shift. Further research is needed to elucidate for how long that change can be detected and what neurobiological changes are introduced by that phenomena.

研究の動機と目的

• 頭皮電気脳波（EEG）記録を用いて、経頭接着刺激（tDCS）が皮質ダイナミクスに与える影響を検討すること。
• 再帰的定量分析（RQA）を用いて、tDCSが脳状態ダイナミクスに測定可能な極性特異的変化を引き起こすかどうかを評価すること。
• 前、直後（post1）、および30分後（post2）の時間点での記録を用いて、tDCS誘発の脳状態遷移の時間的持続性を評価すること。
• 主成分分析（PCA）を用いて、tDCS効果の分離可能性と可視化を検討すること。
• 健常者におけるtDCS誘発の神経状態遷移を検出する、新しい定量的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 10-20システムに従い、左および右運動皮質領域に10電極を配置して、16名の健常被験者からEEGデータを収集した。
• 3つのEEGエポックを記録した：刺激前（pre）、直後（post1）、および刺激後30分（post2）。
• 各エポックから5つの500サンプル間隔（T1–T5）を抽出して分析に用いた。
• 再帰的定量分析（RQA）を用いて、脳状態ダイナミクスの指標として、平均状態遷移（MSS）と状態分散（SV）を計算した。
• MSSおよびSVの値を陽極tDCSと陰極tDCSの条件間で比較するための統計的検定を実施した。
• 主成分分析（PCA）を用いて、刺激条件および時間点ごとの脳状態パターンの分離可能性を可視化および評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSおよびSVで測定された脳状態ダイナミクスに、tDCSが検出可能な極性特異的変化を引き起こすか？
• RQ2 陽極tDCSと陰極tDCSは、神経状態の安定性およびばらつきにどのように異なる影響を及ぼすか？
• RQ3 PCAは、時間経過に伴うtDCS誘発の脳状態遷移を効果的に可視化し、分離できるか？
• RQ4 観察されたtDCS誘発の脳状態ダイナミクスの変化は、刺激後30分経っても持続的か？
• RQ5 RQA指標のMSSおよびSVは、皮質活動に対するtDCSの神経生理的影響をどの程度反映しているか？

主な発見

• 陰極tDCSは陽極刺激と比較して、平均状態遷移（MSS）を有意に低下させ、より安定的または変動の少ない脳状態遷移パターンを示した。
• 状態分散（SV）は陰極刺激によって有意に影響を受けていたが、陽極刺激ではSVに顕著な変化は認められなかった。
• PCAの可視化により、tDCS後、特に陰極刺激後に明確に分離可能な脳状態パターンのクラスタが観察され、神経ダイナミクスの顕著なシフトが示唆された。
• 本研究では、EEGデータに対するRQA指標を用いて、tDCSが極性特異的に脳状態ダイナミクスを変化させることを、初めて実証した。
• tDCSがMSSおよびSVに与える影響は、刺激直後および30分後にも検出可能であり、神経状態遷移の持続的変化の可能性を示唆した。
• 結果から、MSSおよびSVといったRQAベースの指標は、特に陰極tDCS下で、tDCS誘発の皮質調節に感受性である可能性が示された。