The effects of transcranial direct current stimulation of medial prefrontal cortex on functional networks of the brain

Kallonläpäisevä aivojen tasavirtastimulaatio (tDCS) on tutkijoiden huomiota lähivuosina kerännyt menetelmä, jonka avulla voidaan tietyissä konteksteissa vaikuttaa aivotoimintaan ja kognitiivisiin toimintoihin. Sen on havaittu vaikuttavan joidenkin patologioiden oireisiin ja neuraalisiin ilmentymiin. Koska tutkimuksissa käytetyt protokollat eroavat toisistaan, ovat tDCS:n vaikutukset moniin aivoalueisiin tai verkostoihin kuitenkin epäselviä. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan mediaaliseen etuotsalohkoon (mPFC) suunnatun tDCS:n vaikutuksia aivojen funktionaalisiin verkostoihin lepotilassa. 36 tervettä naiskoehenkilöä jaettiin samankokoisiin ryhmiin, kontrolliryhmään sekä stimulaatioryhmään. tDCS:ää annettiin stimulaatioryhmälle kahden milliampeerin sähkövirralla. Funktionaalisten verkostojen tarkasteluun käytettiin funktionaalista magneettikuvausta (fMRI) lepotilassa ennen 20:n minuutin pituista stimulaatiosessiota sekä sen jälkeen. Funktionaaliset verkostot tunnistettiin riippumattomien komponenttien analyysin avulla (ICA) suorittamalla analyysi molempien ryhmien yhdistetylle aineistolle. Ryhmien eroja tarkasteltiin tämän jälkeen vertailemalla tDCS- ja kontrolliryhmän verkostojen painokertoimia. tDCS -ryhmässä havaittiin lisääntyneitä funktionaalisia yhteyksiä vasemmanpuoleisen anteriorisen pihtipoimun (ACC) alueella kieliverkostossa kontrolliryhmään verrattuna. ICA:ssa tunnistettiin myös posteriorinen ja anteriorinen lepotilaverkosto (engl. default mode network), dorsaalinen tarkkaavaisuusverkosto, sensorimotorinen, orbitofrontaalinen, oikean ja vasemmanpuoleinen frontoparietaalinen verkosto, mediaalinen ja lateraalinen visuaalinen verkosto, tyvitumakkeet sekä pikkuaivot. Näissä verkostoissa ei havaittu tilastollisesti merkitseviä eroja ryhmien välillä. Tutkimuksen tulokset olivat osittain samansuuntaisia aiempien tutkimusten kanssa, joissa mediaalisen etuotsalohkon stimulaation on havaittu lisäävän funktionaalisia yhteyksiä aivojen palkintojärjestelmässä. Jatkotutkimuksissa erilaisten tDCS-protokollien vaikutuksia aivoverkostoihin olisi tarpeen tarkastella systemaattisesti.Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a method that in recent years has gained the attention of researchers. In certain contexts, tDCS can be utilised in modulating brain function and cognitive performance, and it has been found to modulate symptoms and neural correlates of some pathologies. Due to differences in protocols between studies, the literature is inconclusive on the effects of tDCS on some brain areas and networks. In this study the effects of tDCS directed to medial prefrontal cortex (mPFC) on functional networks of the brain in resting state are examined. 36 healthy female subjects were divided into control and tDCS-groups of equal sizes. Functional networks were examined using functional magnetic resonance imaging (fMRI) in resting state before one stimulation session of 20 minutes with 2 mA current or sham stimulation, and after the session. Functional networks were identified with independent component analysis (ICA), which was performed on the set of images with both groups combined. The groups were then compared on a network level. The tDCS group showed increased functional connectivity in and around the left anterior cingulate cortex (ACC) in language network compared to the sham group. Other networks identified by ICA that showed no statistically significant differences between groups were posterior and anterior default mode, dorsal attention, sensorimotor, orbitofrontal, left and right frontoparietal, medial and lateral visual network, basal ganglia and the cerebellum. The results of this study were partially in line with previous studies that have found increases in the functional connectivity of brain regions associated with reward processing. There is a need for systematic examination of the effects of different tDCS protocols on functional networks in future studies