[뇌 건강 관련 자료] "tDCS와 TMS가 운동 학습과 기억 형성을 향상시킬 수 있는가?"

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요약

이 자료는 2009년에 연구한 자료를 발췌한 것입니다. 요약하면, 지금까지 수행된 희소한 연구는 비침습적 뇌 자극이 운동 학습 및 운동 기억 형성의 기본 메커니즘 이해에 기여할 수 있다는 고무적인 결론을 지적하고, 이러한 이해 증가가 미래에 발달로 이어질 수 있다는 흥미로운 가설을 제기합니다. 건강한 사람과 뇌 병변이 있는 환자의 학습 및 기억 처리의 특정 단계를 향상시키는 새로운 전략일 수 있다고 설명합니다.

 

추상적인

비침습적 뇌 자극은 인지 신경과학자에게 유망한 도구로 개발되었습니다. 경두개 자기(TMS) 및 직류(tDCS) 자극을 통해 연구자들은 뇌의 초점 영역에서 흥분성을 의도적으로 향상하거나 감소시킬 수 있습니다. 이 백서의 목적은 건강한 지원자의 운동 기억 형성, 운동 수행 및 운동 학습을 촉진하기 위한 연구 도구로서 TMS 및 tDCS 사용에 대한 정보를 검토하는 것입니다. 지금까지 구현된 연구는 상대적으로 단기간에 모터 개선을 유도하는 TMS 및 tDCS의 능력에 주로 초점을 맞추었고 이러한 변화의 기본 메커니즘은 부분적으로만 조사되었습니다. 데이터 부족 등의 한계에도 불구하고

 

소개

지난 20년 동안 비침습적 뇌 자극은 인간의 주의력, 기억력, 운동 및 언어 기능을 조절하기 위한 프로브로 사용되었습니다. TMS 및 tDCS는 사용된 자극 매개변수에 따라 대상 피질 영역의 흥분성을 향상시키거나 감소시킬 수 있습니다. TMS, 그리고 정도는 덜하지만 tDCS(tDCS와 TMS의 구체적인 차이점은 Nitsche 등의 장 참조)는 뇌 행동 상호 작용을 이해하고 특정 뇌 영역의 변경된 활동과 특정 행동 사이의 가능한 인과 관계를 탐색합니다. 행동 유형에 대한 뇌 영역의 관여에 대한 향상된 이해에 이어 수행, 학습 및 기억 기능에 이차적으로 영향을 미치기 위해 이 영역의 활동을 수정하려는 시도가 이어졌습니다. 이 장에서는 건강한 인간의 운동 수행 및 운동 학습의 개선을 유도하는 것을 목표로 하는 연구 결과를 요약합니다.

 

운동 학습

운동 기억의 형성은 일상 생활에서 운동 기능을 학습하는 데 필요합니다. 새로운 운동 기능의 획득, 통합 및 장기적 안정성(유지라고도 함) 과정에 초점을 맞춘 연구와 수행 능력의 기준선 수준으로의 복귀를 평가하는 연구를 구별하는 것이 도움이 됩니다. 외부 교란에 대한 반응. 외부 섭동에 대한 적응의 예는 프리즘 안경에 의해 유발된 시각 안내 도달 동작의 방향 오류에 대한 반응입니다/ 연습을 통해 성능이 "기준선" 수준으로 돌아갑니다. 중요한 것은 적응이 평생 동안 달성된 움직임과 관련되기 때문에 새로운 운동 시너지 또는 움직임 패턴의 획득이 필요하지 않을 수 있다는 것입니다.

적응과는 대조적으로, 새로운 운동 기술의 습득은 기존 수준 이상으로 성능을 향상시키는 새로운 운동 특성 및/또는 근육 시너지의 습득을 포함합니다. 기술은 적응하는 것보다 습득하는 데 더 오래 걸리는 것처럼 보이며 때로는 몇 년이 지난 후에도 정체 수준에 도달하지 않습니다(예: 피아노 또는 농구 배우기). 공학적 용어로 적응은 오류 기반 학습으로 모델링 될 수 있는 반면, 예를 들어 운동 기술 학습은 보상 기반 신호로 더 잘 모델링 됩니다. 그러나 보상 및 오류 기반 학습의 중첩이 가능하다는 점을 명심해야 합니다.

통합은 안정화(역행 간섭에 대한 감수성 감소) 또는 오프라인 개선을 의미합니다. 통합 프로세스는 작업 유형, 연습 종료와 회상 테스트 사이의 시간, 수면 유무에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 손가락 반대 작업을 수행하는 능력의 오프라인 개선은 REM 수면에 소요되는 시간과 관련이 있습니다. 마찬가지로, 운동 시퀀스 학습 작업의 오프라인 개선은 개인이 기본 시퀀스를 알고 있을 때 수면에 따라 달라집니다. 그러나 개인이 시퀀스에 대한 인식이 거의 없을 때 오프라인 개선은 깨어 있거나 밤에 잠을 자면서 발전할 수 있습니다. 잠재적으로 오프라인 학습에 대한 개인의 인식 효과는 시퀀스에 대한 선언적 지식에 의해 매개됩니다. 시퀀스에 대한 선언적 지식을 방해하면 웨이크에 대한 개선을 유도할 수 있습니다. 적응 연구에서 교란 후 기준선 성능으로의 성공적인 복귀는 종종 한 세션 내에서 발생하므로 여러 날에 걸친 오프라인 개선의 가능성은 철저하게 테스트되지 않았지만 재적응 비율의 증가인 절감액이 오프라인 학습의 한 형태로 간주됩니다. 이 일반적인 진술에 대한 한 가지 예외는 Huber et al. 대상이 도달 운동의 시각적 섭동에 적응해야 하는 운동 적응 패러다임의 하룻밤 사이의 성능 향상은 서파수면 동안 증가된 Hz 활동과 관련이 있습니다. 이 활동은 뉴런 막 전위의 진동 변화를 반영하는 것으로 생각됩니다.

위에서 언급한 바와 같이 강화의 또 다른 형태는 안정화, 즉 연습으로 인한 성능 향상 또는 기술(망각 또는 오프라인 향상과 반대되는)의 유지입니다. 연습 기간이 끝난 후 작업 A에 대한 절차적 기억은 간섭에 대해 다른 정도의 강도를 나타낼 수 있습니다. 이 강도를 평가하는 고전적인 접근 방식은 작업 B를 간섭의 원인으로 도입한 다음 작업 A를 수행할 수 있는 대상의 능력을 테스트하는 것입니다. 다른 운동 과제 B를 연습하여 새로 배운 운동 과제 A를 회상하는 간섭은 "역행 간섭"으로 설명되었습니다. 역행 간섭은 작업 A의 실행 종료와 간섭 작업 B의 적용 사이의 시간 간격 길이와 함께 감소하는 잘 설명된 시간 경과를 가지며 6시간 후에 사실상 사라집니다. 동적 적응 작업 학습 후 몇 시간 동안의 안정화는 잘 문서화되어 있습니다. 참고로 Goedert와 Willingham은 모터 시퀀스 학습 오프라인 안정화가 발생하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 작업 A와 B 사이에 15분이 걸리든 24시간이 걸리든 작업 B는 계속 역행 간섭을 가합니다. 그러나 이 결과는 작업에 따라 다를 수 있습니다.

운동 학습 중에 두 종류의 통합, 오프라인 학습 및 안정화가 발생할 가능성이 있음을 명심하는 것이 중요합니다. 위에서 언급한 바와 같이 적응의 통합 연구가 안정화에 초점을 맞추었기 때문에 적응 작업에 오프라인 향상이 발생하는지 여부는 불분명합니다. 절차적 기억의 안정성을 평가하는 능력 에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인에는 활용된 종점 측정(속도, 정확도 또는 운동 작업과 관련된 속도 정확도 비율) 및 연습 일정이 포함됩니다. 차단된 연습 일정보다 인터리브를 통해 획득한 운동 기억은 간섭에 더 강해질 수 있습니다.

강조해야 할 중요한 이론적 요점 중 하나는 운동 성능과 운동 능력 측정 간의 차이입니다. 속도 또는 운동 수행의 정확도 향상은 종종 문헌에서 단독으로 보고되었으며, 때때로 이 두 측정 중 하나의 변화가 다른 측정의 변화 없이 발생했음을 나타냅니다. 이러한 변화는 스킬의 변화로 보고되었습니다. 운동 기능은 이 두 가지 측정 중 하나만의 변화로 항상 확실하게 추측할 수는 없다는 점을 명심하는 것이 중요합니다. 기술은 작업에 따라 달라지는 속도-정확도 트레이드오프의 변화로 더 잘 설명될 수 있습니다. 이 문제를 고려하여,

 

비침습적 뇌 자극

비침습적 뇌 자극은 운동 학습에서 특정 뇌 영역의 기능적 관련성을 확인하고 운동 기능을 개선하려는 시도에서 운동 학습과 관련된 특정 피질 영역의 활동을 촉진하는 데 사용되었습니다.

 

[비침습적 피질 자극으로 연구된 운동 학습에서 일차 운동 피질의 기능적 역할]

운동 학습은 일차 운동, 전운동 및 보조 운동 피질, 소뇌, 시상 핵 및 선조체를 포함하는 분산 네트워크의 기능적 변화와 관련됩니다. 운동 학습에서 운동 영역의 역할을 연구하기 위해 지금까지 수행된 대부분의 TMS 및 tDCS 연구는 M1에 중점을 두었습니다. 기본 모터 메모리의 인코딩에서 M1의 역할Butefischet al. 엄지 외전 작업을 연습하는 손과 반대쪽인 M1에 단일 펄스 TMS를 동시에 적용하면 건강한 피험자가 일차 운동 피질에서 기본적이고 단기간에 지속되는 운동 기억을 암호화하는 능력이 향상된다는 것을 보여주었습니다. 중요하게도, 이 효과는 M1이 훈련 동작과 동시에 자극되었을 때 분명했지만 훈련 동작 사이에 적용될 때는 그렇지 않았습니다. 이 연구에서 두 번째로 중요한 발견은 M1 사이의 반구 간 상호작용이 운동 기억 형성에 기여한다는 가설과 일치하는 동측 손의 훈련 동작으로 "휴식" M1의 동시 자극이 운동 기억 형성에 대한 훈련 효과를 취소했다는 것입니다. 2M1 내의 운동 기억 형성은 운동 기능을 향상시키는 보다 복잡한 일련의 사건의 첫 번째 단계를 나타낼 수 있다고 제안되었지만 순진한 수준 이상의 기술 향상은 일반적으로 그렇지 않기 때문에 운동 학습 그 자체로 해석되어서는 안 됩니다. 운동 기억 형성의 이 특별한 패러다임에서 볼 수 있습니다. 모터 적응에서 M1의 역할 위에서 논의한 바와 같이, 운동 적응의 개념은 외부 동요에 적응하는 학습을 의미합니다. 이 실험에서 피험자는 안정적인 성능을 유지하기 위해 특정 동요를 보상하기 위해 운동 행동을 조정합니다. TMS 및 tDCS는 운동 적응에서 M1의 역할을 평가하는 데 사용되었습니다. 일반적으로 M1에 대한 자극은 1Hz TMS와 같은 해당 영역의 흥분성을 감소시키는 매개변수를 사용하여 적응 패러다임 이전이나 도중에 적용되었습니다(교란을 보상하기 위해 필요한 조정의 인코딩에 대한 기능적 관련성을 평가하기 위해). 한 연구에서, 시각 운동 회전 형태의 섭동에 적응하면서 각 시험 종료 직후 첫 번째 등골간근의 RMT의 120%에서 M1에 단일 TMS 펄스를 적용하면 적응에 영향을 미치지 않았지만 더 빠른 감소를 일으켰습니다. 각 시행 종료 후 700ms에 적용되는 단일 펄스 또는 PMd 자극과 관련하여 동일한 세션 내에서 적응(망각). 또 다른 연구에서 역장 적응 전 이두박근 RMT의 90%에서 M1에 적용된 1Hz rTMS는 참가자의 적응 자체에 영향을 미치지 않았지만 다음과 같이 테스트한 바와 같이 통제 대상(어떤 rTMS도 받지 않은)에 비해 유지 장애가 있었습니다. 피험자들이 이전에 적응했던 것과 동일한 역장에 노출되었을 때. 54 한편, Baraduc et al. 동적 역장에 대한 적응에 M1에 적용된 1Hz TMS의 해로운 영향을 발견하지 못했습니다. 더 자세히 조사해야 할 잠재적인 관심 영역에는 운동 적응에서 M1 이외의 운동 영역의 역할이 포함됩니다.

운동 기능 학습에서 M1의 역할위에서 논의한 바와 같이, 운동 학습은 연습 기간이 끝난 후에도 계속될 수 있으며(종종 그렇게 합니다), 위에서 오프라인 학습 형태의 통합이라고 합니다. M1의 역할은 운동 기능의 획득 및 강화 과정에서 조사되었습니다. Muellbacheret al. 영향력 있는 연구에서 보고된 바에 따르면, 단무지 굴근 RMT의 115%에서 M1에 대한 1Hz rTMS는 엄지 손가락 대 손가락 반대 작업의 단일 세션 연습 직전에 적용되어 속도 및 근력 생성의 세션 내 개선을 방해하지 않았지만 연습 후 6시간에 적용된 자극 또는 후두 피질 또는 왼쪽 DLPFC와 같은 다른 피질 영역에 적용된 자극과 관련하여 다음 날 테스트된 이러한 개선의 유지에 유해한 영향. 이러한 결과는 M1이 명시적 운동 기억의 통합에서 기능적으로 관련된 역할을 한다는 견해를 뒷받침하는 것으로 해석되었습니다. M1의 역할은 또한 운동 시퀀스 학습에서 탐구되었습니다. SRTT(Serial Reaction Time Task)의 수정된 버전을 사용합니다. 1Hz rTMS는 피험자가 아침 일찍 또는 저녁 늦게(서로 다른 그룹) 작업을 연습할 때 훈련 직후 M1에 적용되었습니다. 종점 측정은 12시간 후 작업 수행의 오프라인 향상이었습니다(첫 번째 그룹의 경우 수면 없이 연습한 날 저녁과 두 번째 그룹의 정상적인 밤잠 후 다음날 아침). 학습된 작업의 오프라인 향상이 첫 번째 그룹(수면 없음)에서 중단되었지만 두 번째 그룹에서는 중단되지 않은 것으로 보고되었습니다. 저자는 수면이 연습 기간에 얼마나 가까운지에 따라 다른 통합 프로세스를 나타내는 것으로 결과를 해석했습니다. 운동 학습에 대한 가상 병변 연구의 효과에 대한 자세한 검토는 15를 참조하십시오. 한편, rTMS와 tDCS는 이 검토의 초점인 운동 학습을 촉진하기 위해 사용되었습니다.

 

[비침습적 피질 자극으로 운동 학습을 촉진하려는 시도]

인간의 신경 영상 연구를 기반으로, 운동 피질 흥분성을 향상시키는 매개변수로 비침습적 자극을 적용하면 이차적으로 운동 학습을 촉진할 수 있다고 제안되었습니다. 운동 시퀀스 학습에 관여하는 분산 네트워크의 핵심 구조 중 하나는 일차 운동 피질(M1)입니다. 13 , 58 M1 내에서 운동 훈련과 관련된 피질 재구성의 범위는 성능 향상과 관련이 있습니다. 두 M1 사이의 상호작용은 일반적으로 운동 조절과 특히 운동 순서 학습에서 중요한 역할 을 하는 것으로 보입니다. 64 , 65 그러나 이러한 상호 작용이 운동 학습 중에 작동하는 구체적인 방식은 아직 결정되지 않았습니다. 이러한 상호 작용에 따르면, "학습" M1 5에서 흥분성을 향상시키 거나 "휴식" M1에서 흥분성을 감소시킴으로써 M1이 관여하는 운동 학습 과정을 촉진하는 것이 이론적으로 가능할 것입니다. 그러나 Wassermann et al도 참조하십시오. 이러한 지나치게 단순화된 모델이 작동할 수 있는 본질적인 내부 피질 메커니즘은 식별되어야 합니다(Walsh et al., Di Lazzaro et al., Berardelli et al. 의 토론 장 참조).

몇몇 조사자들은 훈련 손 반대쪽 M1의 흥분성을 향상시키는 비침습적 피질 자극이 건강한 인간의 운동 기능 향상 정도를 다양하게 가져올 수 있다고 제안했습니다. Kim 등은 대측성 순차적 손가락 움직임을 연습하는 동안 M1에 적용되는 휴식 운동 역치(RMT)의 80% 강도에서 10Hz rTMS가 개선된 운동 시퀀스 학습(순차 키 누름에 대한 목표 정확도 및 속도로 측정됨)을 보고했습니다. 작업) 가짜 자극에 상대적입니다. 연습 중에 M1에 적용되는 양극 tDCS는 또한 다음과 같은 개선을 가져왔습니다. 일시적인(~5분), (c) SRTT의 무작위 블록과 관련된 시퀀스 블록의 반응 시간, 여기서 피험자는 명시적인 인식 없이 12번의 키 누르기 시퀀스를 학습합니다. (d) 성능 Jebsen Taylor Hand function test(JTT)는 캔을 들거나 작은 물체를 집는 것과 같은 일상생활 활동을 모방하는 뇌졸중 연구에 자주 사용되는 작업입니다. 흥미롭게도, 이 효과는 젊은 건강한 성인의 비우세 손에서만 나타나는 것으로 보고되었습니다. 주목할 점은 이 두 논문의 tDCS는 피험자가 안정적인 JTT 성능에 도달한 후에 적용되었으며, 이는 안정기 수준을 넘어서는 tDCS 유도 성능 향상을 반영할 가능성이 높습니다. 작업 학습 기간 동안(점근선에 도달하기 전) 비침습적 피질 자극을 적용하면 작업 학습 속도가 빨라지거나 향상될 수 있는지 여부는 알려지지 않았습니다.

연습하는 손의 반대편 M1에 TMS 또는 tDCS를 적용하는 것에 초점을 맞춘 연구와 달리, 훈련 손의 동측 M1에 1Hz rTMS를 적용하면 다음과 같은 결과가 나타납니다. (a) 반대편 M1의 운동 피질 흥분성 증가 가짜 자극에 비해, 그리고 (b) 반대쪽 M1, 동측 전운동 영역 또는 꼭지점(Cz)의 자극에 비해 운동 시퀀스 학습의 개선 65. 한 가지 중요한 고려 사항은 TMS 또는 tDCS로 M1을 자극하는 효과가 작업의 복잡성에 따라 달라질 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 상대적으로 단순하고 반복적인 손가락 외전 동작의 성능은 "학습" M1보다 고주파수 rTMS에 의해 개선되지 않았습니다. 반면 더 복잡한 순차 운동 작업 또는 운동 기억의 인코딩은 개선되었습니다(위 참조). 유사하게, 또 다른 연구에서는 동측 M1이 연습 중에 1Hz rTMS로 자극되었을 때 단일 손가락 추적 동작과 관련된 작업에서 성능 향상이 없음을 보여주었습니다.

모터 시퀀스 학습 또는 모터 성능에 초점을 맞춘 연구와 달리 모터 적응을 촉진하기 위해 TMS 또는 tDCS를 사용한 연구는 인식하지 못했습니다.

 

주의 사항 및 향후 방향

이전 단락은 운동 학습 및 운동 기억 형성에 대한 M1 내의 흥분성의 상향 및 하향 조절 효과에 대해 비교적 일관되고 균일한 그림을 묘사하지만 몇 가지 주의 사항을 염두에 두어야 합니다.

첫째 , 하나의 피질 영역에서 "가상 병변"의 유도 또는 활동의 향상은 해당 영역에 대한 특정 효과를 통해 또는 이차적으로 다른 상호 연결된 피질 영역에 대한 원격 효과를 통해 행동 변화를 초래할 수 있습니다.

둘째, 위의 결과에 대한 논의(또한 피질 영역에 걸친 특정 생리적 상호 작용에 대한 논의 61) 일반적으로 뇌의 표면이 부드러운 구체라고 가정하고, 종종 피질의 접힘이 이랑의 한쪽에서는 뉴런의 과분극을, 다른 쪽에서는 탈분극을 초래할 수 있다는 사실을 무시합니다.

셋째, 자극받은 피질의 활동 이력이 상당히 중요할 수 있습니다. 예를 들어, 자극의 효과는 "피로한" 또는 "잘 쉬는" 피질에 적용되는 경우 상당히 다를 수 있습니다. 한 예에서, 1Hz rTMS는 이전에 음극 tDCS에 의해 억제된 피질에 작용하는 경우 촉진 효과를 유발할 수 있습니다. 항상성 가소성(homeostatic plasticity) 또는 메타가소성(metaplasticity)이라고 하며 다른 곳에서 논의되는 이 현상은 잠재적으로 운동 학습에 영향을 미칠 수 있습니다.

넷째, 현장에서의 대부분의 작업은 M1에 대한 자극의 효과를 연구하는 데 초점을 맞추었지만, 일부 보고에 따르면 배 측 전운동 또는 외측 또는 내측 전두엽 피질의 자극은 SRTT 작업에서 명백한 반응 시간 개선을 유도하지 못했습니다. 유사하게, 일차 시각 피질(V1)에 적용된 양극 tDCS는 건강한 피험자의 시각 운동 추적 작업의 성능을 향상시키지 못했습니다. 그러나 특정 부위에서 자극 효과가 없음을 나타내는 소견이 해당 부위가 관여하지 않는다는 증거는 아닙니다. 이러한 발견에 대한 가장 간결한 해석은 운동 학습 및 기억 형성에서 이러한 피질 영역의 기능적 역할을 연구하기 위해 보다 정교하고 가설 중심의 행동 패러다임 또는 자극 전략이 필요할 수 있다는 것입니다. 또는 M1 자극에 의한 운동 학습을 촉진하기 위한 "임계값"이 다른 피질 영역의 자극에 의한 것보다 낮을 수 있으며, 이는 향후 실험에서 조사할 문제입니다. 다섯, 많은 이전 조사의 한 가지 주의 사항은 성능의 단기 개선에 초점을 맞추는 것이었습니다. 여러 훈련 세션과 관련하여 TMS 또는 tDCS의 반복 적용 효과, 특정 모터 학습 단계 및 작업과의 상호 작용 및 이러한 성능 향상이 장기적으로 유지되는 정도를 평가하려면 더 많은 실험이 필요합니다. 마지막으로 TMS와 tDCS의 효과가 동일하다고 가정할 수 없다는 점을 명심해야 합니다. 운동 피질 기능에 대한 각 기술의 효과에 대한 기본 메커니즘은 다를 가능성이 매우 높으며(Nitsche et al. 의 장 참조) 운동 피질 네트워크에 미치는 영향과 그 적용의 행동 결과도 마찬가지입니다. 분명히 이 분야에서 더 많은 작업이 필요합니다.