[논문 리뷰] The Shift in brain-state induced by tDCS: an EEG study

Milena Čukić, Miodrag Stokić외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 04.

Transcranial Magnetic Stimulation Studies참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 EEG 연구는 16명의 건강한 피험자에서 재발성 양상 분석(RQA) 측정치인 평균 상태 이동(MSS)과 상태 분산(SV)을 사용하여 tDCS 유도 상태 전이의 뇌 상태 역학을 조사한다. 결과적으로 극성에 따라 다른 영향을 보였으며, 음극 tDCS는 음극 자극보다 MSS를 유의하게 감소시켰고, SV는 음극 자극에서만 영향을 받았다. 이는 뇌 상태 조절 방식이 다름을 시사한다. 또한 주성분 분석(PCA) 시각화를 통해 tDCS 후 뇌 상태 패턴이 분리 가능하게 나타났으며, tDCS의 신경생리학적 영향에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 뇌파(EEG) 기록을 통해 경두개직류자극(tDCS)이皮질 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 재발성 정량 분석(RQA)을 사용하여 tDCS가 뇌 상태 역학에 측정 가능한 극성 특이적 변화를 유도하는지 평가하기 위해.
• 자극 전, 자극 후 1회차 및 2회차 시간 포인트 기록을 통해 tDCS 유도 뇌 상태 전이의 시간적 지속성을 평가하기 위해.
• 주성분 분석(PCA)을 사용하여 tDCS 효과의 데이터 분리 가능성과 시각화를 탐색하기 위해.
• 건강한 개인에서 tDCS 유도 신경 상태 전이를 탐지하기 위한 새로운 정량적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 10-20 체계에 따라 좌측 및 우측 운동 피질 부위에 10개 전극를 사용하여 16명의 건강한 피험자로부터 EEG 데이터를 촬영하였다.
• 세 개의 EEG 에포크를 기록하였다: 자극 전, 자극 직후(post1), 자극 후 30분(post2).
• 각 에포크에서 500개 샘플 간격(T1–T5)을 5개 추출하여 분석에 사용하였다.
• 재발성 정량 분석(RQA)을 적용하여 뇌 상태 역학의 측정치로 평균 상태 이동(MSS)과 상태 분산(SV)을 계산하였다.
• 음극과 음극 tDCS 조건 간의 MSS 및 SV 값 비교를 위한 통계적 검증을 수행하였다.
• 주성분 분석(PCA)을 사용하여 자극 조건 및 시간 포인트 간 뇌 상태 패턴의 분리 가능성과 시각화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSS 및 SV로 측정된 바에 비추어 tDCS가 감지 가능한 극성 특이적 뇌 상태 역학 변화를 유도하는가?
• RQ2 음극 및 음극 tDCS는 신경 상태의 안정성과 변동성에 어떤 차이를 보이는가?
• RQ3 PCA는 시간에 따라 tDCS 유도 뇌 상태 전이를 효과적으로 시각화하고 분리할 수 있는가?
• RQ4 자극 후 30분이 지나도 관찰된 tDCS 유도 뇌 상태 역학 변화는 지속적인가?
• RQ5 RQA 측정치인 MSS 및 SV는 tDCS가 피질 활동에 미치는 신경생리학적 영향을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• 음극 tDCS는 음극 자극보다 평균 상태 이동(MSS)을 유의미하게 감소시켜 뇌 상태 전이 패턴이 더 안정적이거나 변동성이 적음을 시사한다.
• 상태 분산(SV)은 음극 자극에 의해 유의미하게 영향을 받았지만, 음극 자극은 SV에 대해 감지 가능한 변화를 유도하지 않았다.
• PCA 시각화 결과 tDCS 이후 뚜렷하고 분리 가능한 뇌 상태 패턴 클러스터가 나타났으며, 특히 음극 자극 후에 두드러졌다. 이는 뇌 신경 역학의 측정 가능한 변화를 시사한다.
• 본 연구는 EEG 데이터에 RQA 지표를 적용하여 tDCS가 극성에 따라 뇌 상태 역학에 특이적인 변화를 유도한다는 것을 처음으로 입증하였다.
• tDCS가 MSS 및 SV에 미치는 영향은 자극 직후뿐 아니라 자극 후 30분에도 감지 가능하여 뇌 상태 전이의 지속 가능성 가능성을 시사한다.
• 결과적으로 MSS 및 SV와 같은 RQA 기반 측정치는 특히 음극 자극 조건에서 tDCS 유도 피질 조절에 민감한 지표임을 시사한다.