Kognisyonun ritimleri: Bellek performansları üzerinde ölçülebilir etki ile nöral osilasyonları modüle etmek için transkraniyal alternatif akım uyarımının kullanılması

Abstract

Bu çalışma, beyin osilasyonları ile kognitif süreçler arasındaki fonksiyonel ilişkiyi test etmeyi, elektroensefalografi (EEG) verisi üzerinden bireyselleştirilmiş transkraniyal alternatif akım uyarımı (tAAU) uygulamasıyla bellek/öğrenme üzerinde ardıl etki oluşturmayı ve osilasyonlara yansıyan-kognitif yıkımla karakterize patolojilerde nöromodülasyonun olası kullanımını incelemeyi hedeflemektedir. Bu amaçla, çeşitli kognitif görevler sırasında sağlıklı ve hasta katılımcılardan EEG verileri kaydedilmiştir. İlk çalışmada, olaya-ilişkin delta ve teta osilasyonlarının geri-sayı menzili çalışma belleği görevi sırasında, farklı kodlama stratejilerine özelleşmiş katkılar sağlayarak performansın optimizasyonundaki rolleri gösterilmiştir. Burada, delta yanıtlarının seri konum etkisini yansıtırken, teta yanıtlarının öğelerin gruplanmasında rol aldığı görülmektedir. TAAU çalışmasında, bireysel teta frekansında (BTF) uygulanan teta tAAU'nun spontane osilatuar teta aktivitesini modüle ettiği ancak bellek performansı üzerinde ölçülebilir bir etkisinin olmadığını görülmüştür. Buna karşılık, BTF'nin altında uygulanan tAAU'nun, bellek performansını iyileştirmede daha etkili olduğu görülmüştür. Dahası, BTF'den düşük bir frekansta uygulanan tAAU'nun olumlu kognitif etkisinin, EEG frontal-parietal bağlantısallıkla ilişkili olarak uyarımdan sonra da devam ettiği izlenmiştir. Son olarak, Hafif Kognitif Bozukluğu olan Parkinson Hastalarında (PH-HKB) yürütülen çalışmada, görsel seyrek uyaran görevi sırasında, anormal EEG delta-teta osilasyonlarının neden olduğu bozulmuş anterior-posterior fonksiyonel bağlantısallık bulgulanmıştır. Bu çalışmalar, bellek alanındaki kognitif süreçler için delta-teta osilasyonlarının önemini vurgulamakta, tAAU kullanılarak bu osilasyonların kognitif performans yararına modüle edilebileceğini ve bu ölçülebilir etkinin uyarımdan sonra bile devam edebileceğini göstermektedir. PH-HKB'lerde kognitif yıkımla bağlantılı teta-delta osilasyonları üzerinden giden anormal fonksiyonel bağlantısallık özellikleri gösterilmiştir. Böylece, tAAU'nun bu patolojide olası kullanımına ilişkin ipuçları sağlanmıştır. Bu tezin sonuçları, altta yatan osilatuar bozulma paternleri bilinen bozukluklardan muzdarip hastalarda kognitif yıkımları iyileştirmek için yeni, nöromodülasyona dayalı tedavi yaklaşımları geliştirmenin yolunu açabilir.

In a series of studies, we here aim to test and modulate the functional relationship between brain oscillations and cognitive processes, induce cognitive after effect of electroencephalography (EEG)-informed individualized transcranial alternating current stimulation (tACS) in the context of memory and learning, and investigate the therapeutic potential of noninvasive neuromodulation techniques in patients suffering from cognitive impairments associated with pathological alterations in oscillatory brain activity. To this end, we recorded EEG in both, healthy and diseased human participants during the performance of various cognitive tasks. In the first study, we revealed that event-related delta and theta oscillations play a specific functional role for the optimization of cognitive performance with both differentially contributing to different encoding strategies during the digit span-backward working memory task. Here, it is shown that while delta responses reflect the serial position effect, theta responses were related to the chunked items. And in tACS study, we could show that theta tACS applied at the individual theta frequency (ITF) effectively modulated spontaneous oscillatory theta activity but had not measurable effect on memory performance. In contrast, tACS stimulation applied slightly below this ITF showed to be better capable to improve memory performance. Importantly, this beneficial cognitive effect of tACS applied at a slightly lower frequency than ITF was observed to persist even after stimulation and was associated with tACS-induced changes in EEG frontal-parietal connectivity. Finally, in a clinical study on patients suffering from Parkinson's Disease with mild cognitive impairment (PD-MCI), impaired anterior-posterior functional connectivity caused by abnormal EEG delta-theta oscillations was revealed during a visual oddball task. Collectively, these studies highlight the importance of delta-theta oscillations for cognitive processing in the domain of memory, and demonstrate that these oscillations can be effectively modulated using tACS leading to measurable cognitive enhancements that persisted even after tACS stimulation was discontinued. We also revealed pathologically altered functional connectivity patterns within theta-delta oscillations to be associated with cognitive impairment in PD-MCI patients. The results of this thesis may therefore pave the way for developing new neuromodulation-based treatment approaches for improving cognitive deficits in patients suffering from disorders with underlying oscillatory deterioration patterns.