Neuromodulation of the cortical subcortical neurocircuitry involved in response selection

Abstract

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.