Neuromodulation of the cortical subcortical neurocircuitry involved in response selection

Programa doutoral em Psicologia
(especialidade de Psicologia Clínica)
A response selection is a cognitive decision making process that has traditionally been
associated with Prefrontal Cortex activity. One action to be selected means that several
competing actions must be deprecated, thus requiring cognitive control.
Although higher hierarchical cognitive functions, such as set shifting and task switching,
are associated to neocortical areas, there is increasing evidence that subcortical structures, such
as basal ganglia are also involved, particularly operating as gating mechanisms.
Action selection seems also to be dependent on the role and interaction among four
cortical – subcortical pathways (e.g. direct, indirect, hyperdirect and striosomal).
There are now several studies suggesting the involvement of subcortical structures on set
shifting tasks, especially in disorders like Parkinson´s, Huntington´s, Obsessive-Compulsive
Disorder and Tic Disorders, and especially from Parkinson´s studies.
Transcranial direct Current Stimulation (tDCS) is a neuromodulatory tool (by changing
spontaneous neural activity), capable of shifting the membrane resting potential, thus inhibiting
or potentiating cognitive and motor responses, as well as inducing mood changes. It is a safe
method, being capable of inducing both intra (i.e. during) and after effects (i.e. that outlast the
stimulation period).
The focus of this work is on offline tDCS (i.e. aftereffects in task performance) and online
tDCS (at the same time as task performance) in tasks that required continuous changes in the
Stimulus – Response mappings.
Related to the experiment 1 and 2, set shifting ability is defined as the capacity to switch
between mental sets or actions and requires the activation of a distributed neural network. Thirty
healthy subjects (fifteen per site) received anodal, cathodal and sham stimulation of the
dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) or the primary motor cortex (M1). We measured set
shifting in both cognitive and motor tasks. The results show that both anodal and cathodal single
session tDCS can modulate cognitive and motor tasks. Related to experiment 3 and 4, task switching is defined as the ability to flexibly switch
between tasks in face of goal shifting, is a central mechanism in cognitive control. Task switching
is thought to involve both Pre-frontal cortex (PFC) and parietal regions. Twelve healthy subjects received bilaterally driven tDCS over the PF, namely Left Anode – Right Cathode (LA-RC), Left
Cathode – Right Anode (LC-RA) and Sham stimulation. The results show that bilateral tDCS over
the PFC modulates task switching ability in both paradigms. In the digit naming task, LA-RC
stimulation was effective in increasing switching performance, while LC-RA stimulation was found
to increase accuracy. However, in the odd-even/vowel-consonant task, LC-RA seems to
significantly increases the performance while, LA-RC increases the task accuracy. The present
results point to a specific bilateral involvement of PFC, suggesting the existence of different roles
for the left hemisphere (i.e., interpreter role) and the right hemisphere (i.e., moderator role) in
task switching.
Nonetheless several future studies should be conducted, in order to translate these basic
science results to clinical research and intervention.
A seleção da resposta é um processo cognitivo de tomada de decisão que tem sido
tradicionalmente associado com a atividade do córtex prefrontal. Uma ação a ser selecionada
significa que diversas ações concorrentes devem ser preteridas, exigindo dessa forma controle
cognitivo.
Embora funções cognitivas superiores, tais como a mudança do set ou de tarefa,
estarem associadas a áreas neocorticais, existem evidências de que estruturas subcorticais, tais
como, os gânglios da base estarão também envolvidas, particularmente operando como
mecanismos de filtragem.
A seleção da ação também parece ser dependente do papel e da interação entre quatro
vias cortico -subcorticais (nomeadamente, direta, indireta, híper-direta e estriosomal).
Existem hoje vários estudos que sugerem o envolvimento de estruturas subcorticais em
tarefas de mudança do set, especialmente em doenças como Parkinson, Huntington,
Perturbação Obsessivo-Compulsiva e de tiques. E muito especialmente a partir de estudos de
Parkinson.
A estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é uma ferramenta de
neuromodulação, capaz de alterar o potencial de repouso neuronal, inibindo ou potencializando
respostas cognitivas e motoras, bem como provocar alterações de humor. É um método seguro,
capaz de induzir efeitos intra (ou seja, durante), bem como after (ou seja, para além do período
de estimulação).
O foco deste trabalho está no ETCC offline (ou seja, efeitos posteriores no desempenho
da tarefa), bem como no ETCC online (durante o desempenho da tarefa) em tarefas que exigem
mudanças contínuas nos mapeamentos entre os Estímulos e Respostas.
Relacionadas com o experimento 1 e 2, a mudança de cenário é definida enquanto a
habilidade de alternar entre conjuntos mentais ou ações e exige a ativação de uma rede
distribuída neural. Trinta indivíduos saudáveis (quinze por local) receberam a estimulação
anodal, catodal e placebo sobre o córtex pré-frontal dorsolateral (CPFDL) ou o sobre o córtex
motor primário (M1).Foi avaliado o desempenho em termos de mudança do cenário numa tarefa cognitiva e noutra motora. Os resultados mostram que tanto a ETCC anodal, como catodal, em
sessão única, são capazes de modular ambas as tarefas.
Em relação ao experimento 3 e 4, a alternância de tarefas é definida enquanto a
capacidade de alternar entre tarefas, face à mudança de objectivos. Esta flexibilidade cognitiva
exige um elevado controlo cognitivo. Pensa-se que a alternância entre tarefas envolve tanto o
córtex pré-frontal (LPFC), bem como regiões parietais. Foi administrada a doze indivíduos
saudáveis ETCC bilateral no córtex pré-frontal, com a seguinte configuração: Esquerda – Ánodo,
Direita – Cátodo (LA-RC); Esquerda – Cátodo, Direita - Ánodo (LC-RA) e estimulação placebo. Os
resultados demostram que a ETCC bilateral modula a capacidade de alternar entre tarefas. Na
prova de nomeação de dígitos, a ETCC LA-RC foi eficaz em aumentar o desempenho de
comutação, enquanto a LC-RA foi capaz de aumentar a precisão. No entanto, na tarefa par ou
ímpar / vogal ou consoante, a LC-RA parece aumentar significativamente o desempenho de
comutação, enquanto a LA-RC aumenta a precisão. Os resultados apontam para um
envolvimento bilateral específico do PFC, sugerindo a existência de diferentes papéis para o
hemisfério esquerdo (ou seja, o papel de intérprete) e o hemisfério direito (ou seja, o papel de
moderador) na alternância de tarefas.
Estudos futuros devem ser realizados de forma a transformar estes estudos de ciência
básica em potenciais estudos e terapias clínicas.