علوم اعصاب شناختی؛ روش های علوم اعصاب شناختی؛ روش هایی برای اختلال در عملکرد عصبی

۳.۳ Methods to Perturb Neural Function

۳.۳ روش‌هایی برای اختلال در عملکرد عصبی

We can glean many insights from careful observations of people with neurological disorders, but as we will see throughout this book, such methods are, in essence, correlational. This concern points to the need for methods that can produce transient disruption in brain function.

ما می‌توانیم بینش‌های زیادی را از مشاهدات دقیق افراد مبتلا به اختلالات عصبی به‌دست آوریم، اما همانطور که در سراسر این کتاب خواهیم دید، چنین روش‌هایی در اصل، همبستگی هستند. این نگرانی به نیاز به روش‌هایی اشاره می‌کند که می‌توانند اختلال گذرا در عملکرد مغز ایجاد کنند.

Pharmacology

فارماکولوژی

The release of neurotransmitters at neuronal synapses and the resultant responses are critical for information transfer from one neuron to the next. Though protected by the blood-brain barrier (BBB), the brain is not a locked compartment. Many different drugs, known as psychoactive drugs (e.g., caffeine, alcohol, and cocaine, as well as the pharmaceutical drugs used to treat depression and anxiety), can disturb these interactions, resulting in changes in cognitive function. Pharmacological studies may involve the administration of agonist drugs, those that have a similar structure to a neurotransmitter and mimic its action, or antagonist drugs, those that bind to receptors and block or dampen neurotransmission.

انتشار انتقال دهنده‌های عصبی در سیناپس‌های عصبی و پاسخ‌های حاصل از آن برای انتقال اطلاعات از یک نورون به نورون دیگر حیاتی است. اگرچه مغز توسط سد خونی مغزی (BBB) ​​محافظت می‌شود، اما یک محفظه قفل شده نیست. بسیاری از داروهای مختلف که به عنوان داروهای روانگردان شناخته می‌شوند (مانند کافئین، الکل و کوکائین، و همچنین داروهای دارویی که برای درمان افسردگی و اضطراب استفاده می‌شوند)، می‌توانند این تعاملات را مختل کرده و در نتیجه عملکرد شناختی را تغییر دهند. مطالعات فارماکولوژیک ممکن است شامل تجویز داروهای آگونیست باشد، داروهایی که ساختاری مشابه با یک انتقال دهنده عصبی دارند و عملکرد آن را تقلید می‌کنند، یا داروهای آنتاگونیست، داروهایی که به گیرنده‌ها متصل می‌شوند و انتقال عصبی را مسدود یا تضعیف می‌کنند.

For the researcher studying the impacts of pharmaceuticals on human populations, there are “native” groups to study, given the prevalence of drug use in our culture. For example, in Chapter 12 we examine studies of cognitive impairments associated with chronic cocaine abuse. Researchers also administer drugs in a controlled environment to monitor the effects of the agent on cognitive function. For instance, the neurotransmitter dopamine is a key ingredient in reward-seeking behavior.

با توجه به شیوع مصرف دارو در فرهنگ ما، برای محققی که تأثیرات داروها را بر جمعیت انسانی مطالعه می‌کند، گروه‌های “بومی” برای مطالعه وجود دارد. به عنوان مثال، در فصل ۱۲ ما مطالعات مربوط به اختلالات شناختی مرتبط با سوء مصرف مزمن کوکائین را بررسی می‌کنیم. محققان همچنین داروها را در یک محیط کنترل شده برای نظارت بر اثرات عامل بر عملکرد شناختی تجویز می‌کنند. به عنوان مثال، انتقال دهنده عصبی دوپامین یک عنصر کلیدی در رفتار پاداش جویی است.

One study looked at the effect of dopamine on decision making when a potential monetary reward or loss was involved. One group of participants received the drug haloperidol, a dopamine receptor antagonist; another received the receptor agonist L-dopa, the metabolic precursor of dopamine (though dopamine itself is unable to cross the BBB, L-dopa can and is then converted to dopamine). Individuals of each group performed a learning task with several trials. In each trial, the participant saw two symbols on a computer screen. Each symbol was associated with a certain unknown probability of gain or no gain, loss or no loss, or no gain or loss. For instance, a squiggle stood an 80% chance of winning a British pound and a 20% chance of winning nothing, but a figure eight stood an 80% chance of losing a pound and a 20% chance of no loss, and a circular arrow resulted in no win or loss. The participants had to choose one of the symbols in each trial, with the goal of maximizing their payoff (Pessiglione et al., 2006; Figure 3.10). On gain trials, the L-dopa-treated group won more money than the haloperidol-treated group, whereas on loss trials, the groups did not differ. These results are consistent with the hypothesis that dopamine has a selective effect on reward-driven learning.

یک مطالعه به تأثیر دوپامین بر تصمیم‌گیری در زمانی که پاداش یا ضرر بالقوه پولی مربوط می‌شود، پرداخت. یک گروه از شرکت کنندگان داروی‌هالوپریدول، یک آنتاگونیست گیرنده دوپامین را دریافت کردند. دیگری آگونیست گیرنده L-dopa، پیش ساز متابولیک دوپامین را دریافت کرد (اگرچه خود دوپامین قادر به عبور از BBB نیست، L-dopa می‌تواند و سپس به دوپامین تبدیل می‌شود). افراد هر گروه یک کار یادگیری را با چندین آزمایش انجام دادند. در هر کارآزمایی، شرکت‌کننده دو علامت را بر روی صفحه کامپیوتر مشاهده کرد. هر نماد با احتمال ناشناخته معینی از سود یا عدم سود، ضرر یا عدم ضرر، یا بدون سود یا ضرر همراه بود. به عنوان مثال، یک squiggle 80% شانس برنده شدن یک پوند انگلیس و ۲۰% شانس برنده شدن داشت، اما رقم هشت دارای ۸۰% شانس از دست دادن یک پوند و ۲۰% احتمال عدم باخت بود و یک فلش دایره‌ای بدون برد یا باخت منجر شد. شرکت کنندگان باید یکی از نمادها را در هر کارآزمایی با هدف به حداکثر رساندن سود خود انتخاب می‌کردند (Pessiglione و همکاران، ۲۰۰۶؛ شکل ۳.۱۰). در کارآزمایی‌های سود، گروه تحت درمان با L-dopa پول بیشتری نسبت به گروه تحت درمان با‌هالوپریدول به دست آوردند، در حالی که در آزمایش‌های ضرر، گروه‌ها تفاوتی نداشتند. این نتایج با این فرضیه که دوپامین اثر انتخابی بر یادگیری پاداش محور دارد، سازگار است.

A major drawback of studies using drugs injected into the bloodstream is the lack of specificity. Because the entire body and brain are awash in the drug, it is unknown how much of it actually reaches the site of interest in the brain. In addition, the potential impact of the drug on other sites in the body and the dilution effect confound data analysis. In some animal studies, direct injection of a study drug to specific brain regions helps obviate this problem. For example, Judith Schweimer examined the brain mechanisms involved in deciding how much effort an individual should expend to gain a reward (Schweimer & Hauber, 2006). For instance, do you stay on the couch and watch a favorite TV show or get dressed up to go out to a party and perhaps make a new friend?

اشکال عمده مطالعات با استفاده از داروهای تزریق شده به جریان خون، عدم اختصاصیت آن است. از آنجایی که کل بدن و مغز در این دارو غرق شده است، مشخص نیست که واقعاً چه مقدار از آن به محل مورد نظر در مغز می‌رسد. علاوه بر این، تأثیر بالقوه دارو بر سایر نقاط بدن و اثر رقیق‌سازی، تجزیه و تحلیل داده‌ها را مخدوش می‌کند. در برخی از مطالعات حیوانی، تزریق مستقیم یک داروی مورد مطالعه به مناطق خاصی از مغز به رفع این مشکل کمک می‌کند. برای مثال، جودیت شوایمر مکانیسم‌های مغزی را بررسی کرد که در تصمیم‌گیری چقدر تلاش یک فرد برای به دست آوردن پاداش انجام دهد (Schweimer & Hauber, 2006). به عنوان مثال، آیا روی کاناپه می‌مانید و یک برنامه تلویزیونی مورد علاقه خود را تماشا می‌کنید یا برای رفتن به یک مهمانی لباس می‌پوشید و شاید دوست جدیدی پیدا کنید؟

Earlier work showed (a) that rats depleted of dopamine are unwilling to make effortful responses that are highly rewarding (Schweimer et al., 2005) and (b) that the anterior cingulate cortex (ACC), a part of the prefrontal cortex, is important for evaluating the cost versus benefit of performing an action (Rushworth et al., 2004). Knowing that there are two types of dopamine receptors in the ACC, called D, and D2, Schweimer wondered which was involved. In one group of rats, she injected a drug into the ACC that blocked the D, receptor; in another, she injected a D2 antagonist. The group whose D, receptors were blocked turned out to act like couch potatoes, but the rats with blocked D, receptors were willing to make the effort to pursue the high reward. This double dissociation indicates that dopamine input to the D, receptors within the ACC is critical for effort-based decision making.

کار قبلی نشان داد (الف) موش‌هایی که از دوپامین تهی شده‌اند، تمایلی به انجام پاسخ‌های سخت که بسیار سودمند هستند، ندارند (Schweimer et al., 2005) و (ب) که قشر سینگولیت قدامی‌(ACC)، بخشی از قشر جلوی پیشانی، برای ارزیابی هزینه‌های انجام شده مهم است. ۲۰۰۴). شوایمر با دانستن اینکه دو نوع گیرنده دوپامین در ACC به نام‌های D و D2 وجود دارد، به این فکر کرد که کدام یک دخیل هستند. در یک گروه از موش‌ها، او دارویی را به ACC تزریق کرد که گیرنده D را مسدود کرد. در دیگری، او آنتاگونیست D2 را تزریق کرد. گروهی که گیرنده‌های D، مسدود شده بودند، مانند سیب زمینی‌های کاناپه‌ای عمل می‌کردند، اما موش‌های با گیرنده‌های D مسدود شده حاضر بودند تلاش کنند تا پاداش بالایی را دنبال کنند. این تفکیک دوگانه نشان می‌دهد که ورودی دوپامین به گیرنده‌های D درون ACC برای تصمیم‌گیری مبتنی بر تلاش حیاتی است.

FIGURE 3.10 Pharmacological manipulation of reward-based learning.
(a) Participants chose the upper or lower of two abstract visual stimuli and observed the outcome. The selected stimulus, circled in red, is associated with an 80% chance of winning 1 pound and a 20% chance of winning nothing. The probabilities are different for other stimuli. (b) Learning functions showing the probability of selecting stimuli associated with gains (circles) or avoiding stimuli associated with losses (squares) as a function of the number of times each stimulus was presented. Participants given L-dopa (green), a dopamine agonist, were faster in learning to choose stimuli associated with gains, compared to participants given a placebo (gray). Participants given haloperidol (red), a dopamine antagonist, were slower in learning to choose the gain stimuli. The drugs did not affect how quickly participants learned to avoid the stimuli associated with a loss.

شکل ۳.۱۰ دستکاری دارویی یادگیری مبتنی بر پاداش.
(الف) شرکت کنندگان بالا یا پایین دو محرک بصری انتزاعی را انتخاب کردند و نتیجه را مشاهده کردند. محرک انتخاب شده، دایره ای قرمز رنگ، با ۸۰ درصد شانس برنده شدن ۱ پوند و ۲۰ درصد شانس برنده شدن هیچ چیز مرتبط است. احتمالات برای سایر محرک‌ها متفاوت است. (ب) توابع یادگیری که احتمال انتخاب محرک‌های مرتبط با سود (دایره‌ها) یا اجتناب از محرک‌های مرتبط با ضرر (مربع) را به عنوان تابعی از تعداد دفعاتی که هر محرک ارائه شده را نشان می‌دهد. شرکت‌کنندگانی که L-dopa (سبز)، آگونیست دوپامین دریافت کردند، در مقایسه با شرکت‌کنندگانی که دارونما (خاکستری) دریافت کردند، در یادگیری انتخاب محرک‌های مرتبط با افزایش سریع‌تر بودند. شرکت‌کنندگانی که‌هالوپریدول (قرمز)، یک آنتاگونیست دوپامین دریافت کردند، در یادگیری انتخاب محرک‌های افزایش آهسته‌تر بودند. این داروها بر سرعت یادگیری شرکت کنندگان برای اجتناب از محرک‌های مرتبط با فقدان تأثیری نداشت.

Genetic Manipulations

دستکاری‌های ژنتیکی

The start of the 21st century witnessed the climax of one of the great scientific challenges: the mapping of the human genome. Scientists now possess a complete record of the genetic sequence contained in our chromosomes, yet we have only begun to understand how these genes code for the structure and function of the nervous system. In essence, we now have a map containing the secrets to many treasures: What causes people to grow old? Why do some people have great difficulty recognizing faces? What dictates whether embryonic tissue will become a skin cell or a brain cell? Deciphering this map is an imposing task that will take years of intensive study. Genetic disorders are manifest in all aspects of life, including brain function. As noted earlier, disorders such as Huntington’s disease are clearly heritable. By analyzing individuals’ genetic codes, scientists can predict whether the children of individuals carrying the Huntington’s disease gene will develop this debilitating disorder. Moreover, by identifying the genetic locus of this disorder, scientists hope to devise techniques to alter the aberrant genes by modifying them or preventing their expression.

آغاز قرن بیست و یکم شاهد اوج یکی از چالش‌های بزرگ علمی‌بود: نقشه برداری از ژنوم انسان. دانشمندان اکنون رکورد کاملی از توالی ژنتیکی موجود در کروموزوم‌های ما دارند، با این حال ما تازه شروع به درک چگونگی کدگذاری این ژن‌ها برای ساختار و عملکرد سیستم عصبی کرده ایم. در اصل، ما اکنون نقشه ای داریم که حاوی اسرار بسیاری از گنجینه‌هاست: چه چیزی باعث پیر شدن مردم می‌شود؟ چرا برخی از افراد در تشخیص چهره مشکل زیادی دارند؟ چه چیزی تعیین می‌کند که آیا بافت جنینی به سلول پوست تبدیل می‌شود یا سلول مغز؟ رمزگشایی این نقشه یک کار تحمیلی است که سال‌ها مطالعه فشرده را می‌طلبد. اختلالات ژنتیکی در تمام جنبه‌های زندگی از جمله عملکرد مغز آشکار می‌شود. همانطور که قبلا ذکر شد، اختلالاتی مانند بیماری‌هانتینگتون به وضوح قابل ارثی هستند. با تجزیه و تحلیل کدهای ژنتیکی افراد، دانشمندان می‌توانند پیش بینی کنند که آیا فرزندان افراد حامل ژن بیماری‌هانتینگتون به این اختلال ناتوان کننده مبتلا خواهند شد یا خیر. علاوه بر این، دانشمندان امیدوارند با شناسایی منبع ژنتیکی این اختلال، تکنیک‌هایی برای تغییر ژن‌های ناهنجار با اصلاح یا جلوگیری از بیان آن‌ها ابداع کنند.

In a similar way, scientists have sought to understand other aspects of normal and abnormal brain function through the study of genetics. Behavioral geneticists have long known that many aspects of cognitive function are heritable. For example, selective breeding of rats for spatial-learning performance allowed researchers to develop “maze-bright” and “maze-dull” strains. Rats that quickly learn to navigate mazes are likely to have off- spring with similar abilities, even if foster parent rats that are slow to navigate the same mazes raise them.

به روشی مشابه، دانشمندان از طریق مطالعه ژنتیک به دنبال درک سایر جنبه‌های عملکرد طبیعی و غیر طبیعی مغز بوده اند. ژنتیک‌شناسان رفتاری مدت‌هاست می‌دانند که بسیاری از جنبه‌های عملکرد شناختی ارثی هستند. برای مثال، پرورش انتخابی موش‌ها برای عملکرد یادگیری فضایی به محققان این امکان را می‌دهد تا گونه‌های «ماز-روشن» و «ماز-خاموش» را توسعه دهند. موش‌هایی که به سرعت حرکت در پیچ و خم‌ها را یاد می‌گیرند، احتمالاً بهاری با توانایی‌های مشابه خواهند داشت، حتی اگر موش‌های والد پرورش‌دهنده‌ای که سرعت حرکت در پیچ و خم‌های مشابه را ندارند، آنها را بزرگ کنند.

Such correlations are also observed across a range of human behaviors, including spatial reasoning, reading speed, and even preferences in watching television (Plomin et al., 1990). However, we should not conclude from this finding that our intelligence or behavior is genetically determined. Maze-bright rats perform quite poorly if raised in an impoverished environment. The truth surely reflects complex interactions between the environment and genetics (see Box 3.2).

چنین همبستگی‌هایی در طیف وسیعی از رفتارهای انسانی از جمله استدلال فضایی، سرعت خواندن و حتی ترجیحات در تماشای تلویزیون مشاهده می‌شود (پلومین و همکاران، ۱۹۹۰). با این حال، ما نباید از این یافته نتیجه بگیریم که هوش یا رفتار ما به طور ژنتیکی تعیین می‌شود. موش‌های پر پیچ و خم اگر در یک محیط فقیر بزرگ شوند عملکرد بسیار ضعیفی دارند. حقیقت مطمئناً منعکس کننده تعاملات پیچیده بین محیط و ژنتیک است (به کادر ۳.۲ مراجعه کنید).

To explore the genetic component in this equation by studying the functional role of many genes, researchers have concentrated on two species that reproduce quickly: the fruit fly and the mouse. A key methodology is to develop genetically altered animals using a knockout procedure. The term knockout comes from the fact that scientists manipulate a specific gene (or set of genes) such that it does not express itself. They can then study the knockout strains to explore the consequences of this change. For example, weaver mice are a knockout strain in which Purkinje cells, the prominent cell type in the cerebellum, fail to develop. As their name implies, these mice exhibit coordination problems.

برای کشف مولفه ژنتیکی در این معادله با مطالعه نقش عملکردی بسیاری از ژن‌ها، محققان بر روی دو گونه متمرکز شده اند که به سرعت تولید مثل می‌کنند: مگس میوه و موش. یک روش کلیدی این است که حیواناتی که از نظر ژنتیکی تغییر یافته اند با استفاده از روش حذفی ایجاد شوند. اصطلاح ناک اوت از این واقعیت ناشی می‌شود که دانشمندان یک ژن خاص (یا مجموعه ای از ژن‌ها) را طوری دستکاری می‌کنند که خود را نشان ندهد. آنها سپس می‌توانند گونه‌های حذفی را مطالعه کنند تا پیامدهای این تغییر را کشف کنند. به عنوان مثال، موش‌های بافنده یک گونه حذفی هستند که در آن سلول‌های پورکنژ، نوع سلولی برجسته در مخچه، رشد نمی‌کنند. همانطور که از نام آنها پیداست، این موش‌ها مشکلات هماهنگی را نشان می‌دهند.

BOX 3.2 \ LESSONS FROM THE CLINIC
Brain Size →→ PTSD, or PTSD→ Brain Size?

باکس ۳.۲ \ درس‌هایی از کلینیک

حجم مغز →→ PTSD یا PTSD → حجم مغز؟

People who have experienced a traumatic event and later suffer from chronic posttraumatic stress disorder (PTSD) have smaller hippocampi than do individuals without PTSD (Bremner et al., 1997; M. B. Stein et al., 1997). We have also learned from animal studies that exposure to pro- longed stress, and the resulting increase in glucocorticoid steroids, can cause atrophy in the hippocampus (Sapolsky et al., 1990). Can we conclude this chain of events: traumatic event→ acute stress → PTSD (chronic stress) → reduced hippocampal volume?

افرادی که یک رویداد آسیب‌زا را تجربه کرده‌اند و بعداً از اختلال استرس پس از سانحه مزمن (PTSD) رنج می‌برند، هیپوکامپ کوچک‌تری نسبت به افراد بدون PTSD دارند (Bremner et al., 1997; M. B. Stein et al., 1997). ما همچنین از مطالعات حیوانی آموخته ایم که قرار گرفتن در معرض استرس طولانی مدت و افزایش استروئیدهای گلوکوکورتیکوئیدی در نتیجه می‌تواند باعث آتروفی در هیپوکامپ شود (Sapolsky et al., 1990). آیا می‌توانیم این زنجیره رویدادها را نتیجه‌گیری کنیم: رویداد آسیب‌زا → استرس حاد → PTSD (استرس مزمن) → کاهش حجم هیپوکامپ؟

The issue of causation is important to consider in any discussion of scientific observation. In elementary statistics courses, we learn to be wary about inferring causation from correlation, but the temptation can be strong. The tendency to infer causation from correlation can be especially great when we are comparing the contribution of nature and nurture to brain and behavior, or when we hold a bias in one direction over another.

موضوع علیت در هر بحثی از مشاهده علمی‌مهم است. در دوره‌های آمار ابتدایی، ما یاد می‌گیریم که در مورد استنباط علیت از همبستگی محتاط باشیم، اما وسوسه می‌تواند قوی باشد. تمایل به استنباط علیت از همبستگی می‌تواند به ویژه زمانی که ما سهم طبیعت و پرورش را در مغز و رفتار مقایسه می‌کنیم، یا زمانی که در یک جهت نسبت به جهت دیگر تعصب داریم، بسیار زیاد است.

It is also important to consider that the causal story may run in the opposite direction. In this case, it could be that individuals with smaller hippocampi, perhaps because of genetic variation, are more vulnerable to the effects of stress, and thus at higher risk for developing PTSD: reduced hippocampal volume → traumatic event→ acute stress → PTSD. What study design could distinguish between the two hypotheses-one that emphasizes environmental factors (e.g., PTSD, via chronic stress, causes reduction in size of the hippocampus) and one that emphasizes genetic factors (e.g., individuals with small hippocampi are at greater risk for developing PTSD)?

همچنین مهم است که در نظر بگیریم که داستان علّی ممکن است در جهت مخالف باشد. در این مورد، ممکن است افراد دارای هیپوکامپ کوچکتر، شاید به دلیل تنوع ژنتیکی، در برابر اثرات استرس آسیب پذیرتر باشند، و بنابراین در معرض خطر بیشتری برای ابتلا به PTSD هستند: کاهش حجم هیپوکامپ ← رویداد ضربه ای ← استرس حاد ← PTSD. کدام طرح مطالعه می‌تواند بین دو فرضیه که بر عوامل محیطی تأکید دارد (مانند PTSD، از طریق استرس مزمن، باعث کاهش اندازه هیپوکامپ می‌شود) و فرضیه ای که بر عوامل ژنتیکی تأکید دارد (به عنوان مثال، افراد با هیپوکامپی کوچک در معرض خطر بیشتری برای ابتلا به PTSD هستند) تمایز قائل شود؟

A favorite approach of behavioral geneticists in exploring questions like these is to study identical twins. Mark Gilbertson and his colleagues at the Veterans Affairs Medical Center in Manchester, New Hampshire (2002), studied a cohort of 40 pairs of identical twins. Within each twin pair, one member had experienced severe trauma during a tour of duty in Vietnam, and the other had not. Thus, each high-stress participant had a very well-matched control: an identical twin brother.

رویکرد مورد علاقه متخصصان ژنتیک رفتاری در بررسی سوالاتی از این دست، مطالعه دوقلوهای همسان است. مارک گیلبرتسون و همکارانش در مرکز پزشکی امور کهنه سربازان در منچستر، نیوهمپشایر (۲۰۰۲)، گروهی از ۴۰ جفت از دوقلوهای همسان را مورد مطالعه قرار دادند. در هر جفت دوقلو، یکی از اعضا در طول یک تور در ویتنام ضربه شدیدی را تجربه کرده بود، و دیگری نه. بنابراین، هر شرکت کننده با استرس بالا کنترل بسیار خوبی داشت: یک برادر دوقلوی همسان.

Although all of the active-duty participants had experienced severe trauma during their time in Vietnam (one of the inclusion criteria for the study), not all of these individuals had developed PTSD. Thus, the experimenters could look at various factors associated with the onset of PTSD in a group of individuals with similar environmental experiences. Consistent with previous studies, anatomical MRIS showed that people with PTSD had smaller hippocampi than did unrelated individuals without PTSD-but so did their twin brothers, even though they did not have PTSD and did not report having experienced unusual trauma in their lifetime. Moreover, the severity of the PTSD correlated negatively with the size of the hippocampus in both the patient with PTSD (Figure 3.11a) and the matched twin control (Figure 3.11b). Thus, the researchers concluded that small hippocampal size was a risk factor for developing PTSD and that PTSD alone did not cause the decreased hippocampal size.

اگرچه همه شرکت کنندگان فعال در طول مدت اقامت خود در ویتنام (یکی از معیارهای ورود به مطالعه) ضربه شدیدی را تجربه کرده بودند، اما همه این افراد دچار PTSD نشده بودند. بنابراین، آزمایش‌کنندگان می‌توانند به عوامل مختلفی مرتبط با شروع PTSD در گروهی از افراد با تجربیات محیطی مشابه نگاه کنند. مطابق با مطالعات قبلی، MRIS تشریحی نشان داد که افراد مبتلا به PTSD هیپوکامپ کوچک‌تری نسبت به افراد غیرمرتبط بدون PTSD داشتند – اما برادران دوقلوی آنها نیز چنین بودند، حتی اگر آنها PTSD نداشتند و گزارشی از تجربه ترومای غیرعادی در طول زندگی خود نداشتند. علاوه بر این، شدت PTSD با اندازه هیپوکامپ در هر دو بیمار مبتلا به PTSD (شکل ۳.11a) و گروه کنترل همسان (شکل ۳.11b) همبستگی منفی داشت. بنابراین، محققان به این نتیجه رسیدند که اندازه کوچک هیپوکامپ یک عامل خطر برای ابتلا به PTSD است و PTSD به تنهایی باعث کاهش اندازه هیپوکامپ نمی‌شود.

This study serves as an example of the need for caution: Experimenters must be careful when making causal inferences based on correlational data. The study also provides an excellent example of how scientists are studying interactions between genes and the environment in influencing behavior and brain structure.

این مطالعه به عنوان نمونه ای از نیاز به احتیاط عمل می‌کند: آزمایشگران باید هنگام استنتاج علی بر اساس داده‌های همبستگی مراقب باشند. این مطالعه همچنین یک مثال عالی از چگونگی بررسی تعاملات بین ژن‌ها و محیط در تأثیرگذاری بر رفتار و ساختار مغز ارائه می‌دهد.

FIGURE 3.11 Exploring the relationship between PTSD and hippocampal size. Scatter plots illustrate the relationship of symptom severity in combat veterans with PTSD to their own hippocampal volumes (a) and to the hippocampal volumes of their identical twin brothers who had not seen combat (b). Symptom severity represents the total score received on the Clinician-Administered PTSD Scale (CAPS).

شکل ۳.۱۱ بررسی رابطه بین PTSD و اندازه هیپوکامپ. نمودارهای پراکندگی رابطه شدت علائم جانبازان جنگی مبتلا به PTSD را با حجم هیپوکامپ خود (a) و حجم هیپوکامپ برادران دوقلوی همسان آنها که جنگ (b) را ندیده بودند، نشان می‌دهد. شدت علائم نشان دهنده نمره کل دریافت شده در مقیاس PTSD (CAPS) توسط پزشکان است.

At a more focal level, researchers use knockout procedures to create strains that lack a single type of post- synaptic receptor in specific brain regions, while leaving other types of receptors intact. Susumu Tonegawa at the Massachusetts Institute of Technology and his colleagues developed a mouse strain in which N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors were absent in cells within a subregion of the hippocampus (M. A. Wilson & Tonegawa, 1997; also see Chapter 9). Mice lacking these receptors exhibited poor learning on a variety of memory tasks, providing a novel approach for linking memory with its molecular substrate (Figure 3.12). In a sense, this approach constitutes a lesion method, but at a microscopic level.

در سطحی متمرکزتر، پژوهشگران از روش‌های ناک‌اوت استفاده می‌کنند تا نژادهایی ایجاد کنند که نوع خاصی از گیرنده‌های پس‌سیناپسی را در مناطق خاصی از مغز نداشته باشند، در حالی که سایر انواع گیرنده‌ها دست نخورده باقی می‌مانند. سوزومو تونگاوا در مؤسسه فناوری ماساچوست و همکارانش یک نژاد موش توسعه دادند که در آن گیرنده‌های N-methyl-D-aspartate (NMDA) در سلول‌های یک زیرمنطقه از هیپوکامپوس غایب بودند (م. آ. ویلسون و تونگاوا، ۱۹۹۷؛ همچنین به فصل ۹ مراجعه کنید). موش‌هایی که این گیرنده‌ها را نداشتند، در انواع مختلفی از وظایف حافظه یادگیری ضعیفی از خود نشان دادند و رویکرد جدیدی برای ارتباط حافظه با بستر مولکولی آن فراهم کردند (شکل ۳.۱۲). از یک جنبه، این روش به عنوان یک روش آسیب‌زایی محسوب می‌شود، اما در سطح میکروسکوپی.

Neurogenetic research is not limited to identifying the role of each gene individually. Complex brain function and behavior arise from interactions between many genes and the environment. Our increasingly sophisticated genetic tools will put scientists in a better position to detect polygenic influences on brain function and behavior.

تحقیقات نوروژنتیک به شناسایی نقش هر ژن به صورت جداگانه محدود نمی‌شود. عملکرد و رفتار پیچیده مغز از تعامل بین بسیاری از ژن‌ها و محیط ناشی می‌شود. ابزارهای ژنتیکی پیشرفته‌تر ما، دانشمندان را در موقعیت بهتری برای تشخیص تأثیرات چند ژنی بر عملکرد و رفتار مغز قرار می‌دهد.

Invasive Stimulation Methods

روش‌های تحریک تهاجمی

Given the risks associated with neurosurgery, researchers reserve invasive methods for studies in animals and for patients with neurological problems that require surgical intervention. Direct neural stimulation involves the placement of electrodes on or into the brain. As with all stimulation methods, the procedure is reversible in that testing can be done with stimulation on or stimulation off. This within-participant comparison provides a unique opportunity to investigate the link between brain and behavior.

با توجه به خطرات مرتبط با جراحی مغز و اعصاب، محققان روش‌های تهاجمی‌را برای مطالعات روی حیوانات و بیماران مبتلا به مشکلات عصبی که نیاز به مداخله جراحی دارند، رزرو می‌کنند. تحریک مستقیم عصبی شامل قرار دادن الکترودها بر روی یا داخل مغز است. مانند تمام روش‌های تحریک، این روش برگشت‌پذیر است، زیرا آزمایش را می‌توان با تحریک روشن یا خاموش انجام داد. این مقایسه درون مشارکتی فرصتی منحصر به فرد برای بررسی ارتباط بین مغز و رفتار فراهم می‌کند.

In humans, direct stimulation of the cerebral cortex is used primarily during surgery to treat neurological disorders. Prior to any incisions, the surgeon stimulates parts of the cortex to determine the function of tissue surrounding lesions or seizure foci in order not to damage or remove vital areas. The best example of direct stimulation comes from research involving patients who are undergoing surgical treatment for the control of intractable epilepsy.

در انسان، تحریک مستقیم قشر مغز عمدتاً در حین جراحی برای درمان اختلالات عصبی استفاده می‌شود. قبل از هر برش، جراح قسمت‌هایی از قشر را تحریک می‌کند تا عملکرد بافت اطراف ضایعات یا کانون‌های تشنج را تعیین کند تا به نواحی حیاتی آسیب نرساند یا حذف نشود. بهترین مثال از تحریک مستقیم از تحقیقات مربوط به بیمارانی است که تحت درمان جراحی برای کنترل صرع مقاوم هستند.

DEEP BRAIN STIMULATION

تحریک عمیق مغز

Another invasive approach is deep brain stimulation (DBS), a procedure in which surgeons implant electrodes in specific brain regions for an extended period to modulate neuronal activity. The most common application of this method is as a treatment for Parkinson’s disease, a movement disorder resulting from basal ganglia dysfunction. The standard treatment for this disease is medication, yet the efficacy of the drug can change over time and may produce debilitating side effects. In such cases, neurosurgeons can implant electrodes in the subcortex, usually the subthalamic nucleus of the basal ganglia (thus giving rise to the term deep brain stimulation; Figure 3.13), and the electrodes deliver continuous electrical stimulation to the area.

روش تهاجمی‌دیگر تحریک عمقی مغز (DBS) است، روشی که در آن جراحان الکترودهایی را در نواحی خاص مغز برای مدت طولانی برای تعدیل فعالیت عصبی کاشته می‌کنند. رایج ترین کاربرد این روش به عنوان درمان بیماری پارکینسون است، اختلال حرکتی ناشی از اختلال عملکرد گانگلیون قاعده‌ای. درمان استاندارد برای این بیماری، دارو است، اما اثربخشی دارو می‌تواند در طول زمان تغییر کند و ممکن است عوارض جانبی ناتوان کننده ای ایجاد کند. در چنین مواردی، جراحان مغز و اعصاب می‌توانند الکترودهایی را در زیر قشر، معمولاً هسته ساب تالاموس گانگلیون‌های قاعده ای کاشته کنند (در نتیجه اصطلاح تحریک عمیق مغز را ایجاد می‌کند؛ شکل ۳.۱۳)، و الکترودها تحریک الکتریکی مداوم را به ناحیه ارائه می‌کنند.

FIGURE 3.12 Fear conditioning in knockout mice.
(a, b) These brain slices through the hippocampus show the absence of a particular receptor in genetically altered mice. CTX = cortex; DG = dentate gyrus; ST = striatum. Cells containing the gene associated with the receptor are stained in black, but these cells are absent in the CA1 region of the slice from the knockout mouse (b). (c) Fear conditioning is impaired in knockout mice. After receiving a shock, the mice freeze. When normal mice are placed in the same context 24 hours later, they show strong learning by the large increase in the percentage of freezing responses. This increase is reduced in the knockout mice.

شکل ۳.۱۲ شرطی سازی ترس در موش‌های ناک اوت.
(الف، ب) این برش‌های مغزی از طریق هیپوکامپ، عدم وجود یک گیرنده خاص را در موش‌های تغییر یافته ژنتیکی نشان می‌دهد. CTX = قشر; DG = شکنج دندانه دار; ST = مخطط. سلول‌های حاوی ژن مرتبط با گیرنده به رنگ سیاه رنگ آمیزی می‌شوند، اما این سلول‌ها در ناحیه CA1 برش موش حذفی (b) وجود ندارند. (ج) شرطی شدن ترس در موش‌های ناک اوت مختل شده است. پس از دریافت شوک، موش‌ها یخ می‌زنند. هنگامی‌که موش‌های معمولی ۲۴ ساعت بعد در یک زمینه قرار می‌گیرند، با افزایش زیاد درصد پاسخ‌های انجماد، یادگیری قوی نشان می‌دهند. این افزایش در موش‌های ناک اوت کاهش می‌یابد.

FIGURE 3.13 Deep brain stimulation for treatment of Parkinson’s disease.
A battery-powered neurostimulator is surgically implanted beneath the skin of the chest. It sends electrical pulses through a wire that extends subcutaneously along the neck to the skull, where a small hole is drilled. The wire passes through the hole to an electrode placed in the subthalamic nucleus of the basal ganglia. The electrical pulses interfere with neuronal activity at the target site.

شکل ۳.۱۳ تحریک عمیق مغز برای درمان بیماری پارکینسون.
یک محرک عصبی که با باتری کار می‌کند، با جراحی در زیر پوست قفسه سینه کاشته می‌شود. پالس‌های الکتریکی را از طریق سیمی‌می‌فرستد که به صورت زیر جلدی در امتداد گردن به سمت جمجمه کشیده می‌شود، جایی که سوراخ کوچکی در آن ایجاد می‌شود. سیم از سوراخ عبور می‌کند و به الکترودی می‌رسد که در هسته ساب تالاموس گانگلیون پایه قرار دارد. پالس‌های الکتریکی با فعالیت عصبی در محل هدف تداخل می‌کنند.

Although the exact mechanism of the benefits remains controversial, DBS produces dramatic and sustained improvements in the motor function of patients (Hamani et al., 2006; Krack et al., 1998), even though the progression of the disease itself is not halted. The success of DBS for Parkinson’s disease has led researchers to explore the efficacy of DBS in treating a wide range of neurological and psychiatric disorders including coma, posttraumatic stress disorder, and obsessive-compulsive disorder, with various cortical and subcortical regions candidates for stimulation.

اگرچه مکانیسم دقیق مزایا بحث‌برانگیز است، DBS باعث بهبود چشمگیر و پایدار در عملکرد حرکتی بیماران می‌شود (هامانی و همکاران، ۲۰۰۶؛ کراک و همکاران، ۱۹۹۸)، حتی اگر پیشرفت خود بیماری متوقف نشود. موفقیت DBS برای بیماری پارکینسون، محققان را بر آن داشته است تا اثربخشی DBS را در درمان طیف گسترده ای از اختلالات عصبی و روانپزشکی از جمله کما، اختلال استرس پس از سانحه و اختلال وسواس فکری جبری، با مناطق مختلف قشری و زیر قشری کاندید برای تحریک بررسی کنند.

OPTOGENETICS

اپتوژنتیک

As described at the beginning of the chapter, optogenetics has provided a reliable switch to activate neurons using viral transduction. Here, researchers attach a specific piece of DNA to a neutral virus and allow the virus to infect targeted cells with the DNA. Those cells construct proteins from the DNA instructions; for example, with the gene for ChR-2, the cells will construct light-sensitive ion channels. The locations where the tailored virus is injected are quite specific, limited to either a small region of the brain or certain types of neurons or receptors.

همانطور که در ابتدای فصل توضیح داده شد، اپتوژنتیک یک سوئیچ قابل اعتماد برای فعال کردن نورون‌ها با استفاده از انتقال ویروسی ارائه کرده است. در اینجا، محققان یک قطعه خاص از DNA را به یک ویروس خنثی متصل می‌کنند و به ویروس اجازه می‌دهند تا سلول‌های هدف را با DNA آلوده کند. آن سلول‌ها پروتئین‌ها را از دستورالعمل‌های DNA می‌سازند. برای مثال، با ژن ChR-2، سلول‌ها کانال‌های یونی حساس به نور می‌سازند. مکان‌هایی که ویروس متناسب با آن تزریق می‌شود کاملاً خاص هستند و محدود به ناحیه کوچکی از مغز یا انواع خاصی از نورون‌ها یا گیرنده‌ها هستند.

In one of the initial studies, scientists inserted the ChR-2 gene into the part of a mouse’s brain that contains the motor neurons controlling its whiskers. Once the light-sensitive ion channels were constructed and a tiny optical fiber was inserted in the same region, the neurons were ready to rock ‘n’ roll: When a blue light was pulsed, the animal moved its whiskers (Aravanis et al., 2007). It is important to note that the infected neurons continue to perform their normal function. For example, the neurons also fired when the animal moved its whiskers while exploring its environment. This natural firing requires a voltage change across the cell membrane (see Chapter 2); with optogenetics, the ion channels open and close in response to a specific wavelength of light.

در یکی از مطالعات اولیه، دانشمندان ژن ChR-2 را در بخشی از مغز موش قرار دادند که حاوی نورون‌های حرکتی کنترل کننده سبیل‌های موش است. هنگامی‌که کانال‌های یونی حساس به نور ساخته شدند و یک فیبر نوری کوچک در همان ناحیه قرار داده شد، نورون‌ها آماده سنگ اند رول بودند: هنگامی‌که یک نور آبی پالس شد، حیوان سبیل‌های خود را حرکت داد (Aravanis et al., 2007). توجه به این نکته ضروری است که نورون‌های آلوده به عملکرد طبیعی خود ادامه می‌دهند. به عنوان مثال، هنگامی‌که حیوان در حین کاوش در محیط خود، سبیل‌های خود را حرکت می‌داد، نورون‌ها نیز شلیک می‌کردند. این شلیک طبیعی نیاز به تغییر ولتاژ در غشای سلولی دارد (به فصل ۲ مراجعه کنید). با اپتوژنتیک، کانال‌های یونی در پاسخ به طول موج خاصی از نور باز و بسته می‌شوند.

Optogenetic techniques are versatile (for a video on optogenetics, see http://spie.org/x48167.xml?ArticleID =x48167), especially with the discovery of many new opsins, including ones that respond to different colors of visible light and to infrared light. Infrared light is advantageous because it penetrates tissue and thus may eliminate the need for implanting optical fibers to deliver the light pulse. Using optogenetic methods to turn cells on and off in many parts of the brain, researchers can manipulate behavior. This method has the twin advantages of having high neuronal (or receptor) specificity, as well as high temporal resolution.

تکنیک‌های اپتوژنتیک همه کاره هستند (برای یک ویدیو در مورد اپتوژنتیک، به http://spie.org/x48167.xml?ArticleID =x48167 مراجعه کنید)، به خصوص با کشف بسیاری از اپسین‌های جدید، از جمله آنهایی که به رنگ‌های مختلف نور مرئی و نور مادون قرمز پاسخ می‌دهند. نور مادون قرمز سودمند است زیرا به بافت نفوذ می‌کند و بنابراین ممکن است نیاز به کاشت فیبرهای نوری برای ارسال پالس نور را از بین ببرد. با استفاده از روش‌های اپتوژنتیک برای روشن و خاموش کردن سلول‌ها در بسیاری از قسمت‌های مغز، محققان می‌توانند رفتار را دستکاری کنند. این روش دارای مزایای دوگانه داشتن ویژگی عصبی (یا گیرنده) بالا و همچنین وضوح زمانی بالا است.

Optogenetic methods also have potential as an intervention for clinicians to modulate neuronal activity. A demonstration comes from a study in which optogenetic methods were able to reduce anxiety in mice (Tye et al., 2011). After light-sensitive neurons were created in the amygdalae of the mice (see Chapter 10), a flash of light was sufficient to motivate the mice to move away from the wall of their home cage and boldly step out into the center (Figure 3.14).

روش‌های اپتوژنتیک نیز به عنوان مداخله‌ای برای پزشکان برای تعدیل فعالیت عصبی پتانسیل دارد. نشانی از مطالعه ای بدست می‌آید که در آن روش‌های اپتوژنتیک قادر به کاهش اضطراب در موش‌ها بودند (Tye et al., 2011). پس از ایجاد نورون‌های حساس به نور در آمیگدال موش‌ها (به فصل ۱۰ مراجعه کنید)، یک فلش نور برای تحریک موش‌ها کافی بود تا از دیوار قفس خانه‌شان دور شوند و شجاعانه به سمت مرکز خارج شوند (شکل ۳.۱۴).

While there are currently no human applications, researchers are using this method to explore treatments for Parkinson’s symptoms in a mouse model of the disease. Early work here suggests that the most effective treatments may result not from the stimulation of specific cells, but rather from the way in which stimulation changes the interactions between different types of cells (Kravitz et al., 2010). This finding underscores the idea that many diseases of the nervous system disrupt the flow of information.

در حالی که در حال حاضر هیچ کاربرد انسانی وجود ندارد، محققان از این روش برای کشف درمان علائم پارکینسون در مدل موش این بیماری استفاده می‌کنند. کار اولیه در اینجا نشان می‌دهد که مؤثرترین درمان‌ها ممکن است ناشی از تحریک سلول‌های خاص نباشد، بلکه ناشی از روشی است که در آن تحریک تعامل بین انواع مختلف سلول‌ها را تغییر می‌دهد (Kravitz et al., 2010). این یافته بر این ایده تاکید می‌کند که بسیاری از بیماری‌های سیستم عصبی جریان اطلاعات را مختل می‌کنند.

Noninvasive Stimulation Methods Researchers have devised numerous methods to modulate neural function noninvasively by imposing electrical or magnetic fields on the scalp that create changes in the electrical fields at the cortical surface. These noninvasive methods have been widely used to alter neural function in the normal brain and, with increasing popularity, as a tool for therapeutic purposes.

روش‌های تحریک غیرتهاجمی‌محققان روش‌های متعددی را برای تعدیل عملکرد عصبی به صورت غیرتهاجمی‌با تحمیل میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی بر روی پوست سر ابداع کرده‌اند که باعث ایجاد تغییراتی در میدان‌های الکتریکی در سطح قشر مغز می‌شود. این روش‌های غیرتهاجمی‌به طور گسترده برای تغییر عملکرد عصبی در مغز طبیعی و با افزایش محبوبیت، به عنوان ابزاری برای اهداف درمانی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION

تحریک مغناطیسی جمجمه ای

Transcranial magnetic stimulation (TMS) produces relatively focal stimulation of the human brain noninvasively. The TMS device consists of a tightly wrapped wire coil encased in an insulated sheath and connected to powerful electrical capacitors (Figure 3.15a). Triggering the capacitors sends a large electrical current through the coil and, as with all electrical currents, generates a magnetic field. The magnetic field propagates through the layers of the scalp and skull, reaching the cortical surface below the coil and altering the electrical activity in the neurons; with a modest level of stimulation, the neurons briefly fire. The exact mechanism causing the neuronal discharge is not well understood. Perhaps the current leads to the generation of action potentials in the soma; alternatively, the current may directly stimulate axons.

تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال (TMS) تحریک نسبتاً کانونی مغز انسان را به صورت غیرتهاجمی ایجاد می‌کند. دستگاه TMS شامل یک سیم پیچ محکم پیچیده شده است که در یک غلاف عایق قرار گرفته و به خازن‌های الکتریکی قدرتمند متصل است (شکل ۳.15a). فعال کردن خازن‌ها جریان الکتریکی زیادی را از طریق سیم پیچ می‌فرستد و مانند تمام جریان‌های الکتریکی، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. میدان مغناطیسی از طریق لایه‌های پوست سر و جمجمه منتشر می‌شود، به سطح قشر زیر سیم پیچ می‌رسد و فعالیت الکتریکی در نورون‌ها را تغییر می‌دهد. با سطح متوسطی از تحریک، نورون‌ها برای مدت کوتاهی شلیک می‌کنند. مکانیسم دقیق ایجاد تخلیه عصبی به خوبی شناخته نشده است. شاید جریان منجر به تولید پتانسیل‌های عمل در سوما شود. متناوبا، جریان ممکن است مستقیماً آکسون‌ها را تحریک کند.

FIGURE 3.14 Optogenetic control of neuronal activity.
(a) Hippocampal neuron that has been genetically modified to express channelrhodopsin-2, a protein that forms light-gated ion channels. (b) Activity in three neurons when exposed to a blue light. The small gray dashes below each neuron indicate when the light was turned on (same stimulus for all three neurons). The firing pattern of the cells is tightly coupled to the light, indicating that the experimenter can control the activity of the cells. (c) Behavioral changes resulting from optogenetic stimulation of cells in a subregion of the amygdala. When placed in an open, rectangular arena, mice generally stay close to the walls (left). With amygdala activation, the mice become less fearful, venturing out into the open part of the arena (right).

شکل ۳.۱۴ کنترل اپتوژنتیک فعالیت عصبی.
(الف) نورون هیپوکامپ که از نظر ژنتیکی اصلاح شده است تا کانال رودوپسین-۲ را بیان کند، پروتئینی که کانال‌های یونی نوری را تشکیل می‌دهد. (ب) فعالیت در سه نورون هنگام قرار گرفتن در معرض نور آبی. خط تیره‌های خاکستری کوچک زیر هر نورون زمان روشن شدن نور را نشان می‌دهد (محرک یکسان برای هر سه نورون). الگوی شلیک سلول‌ها به شدت با نور همراه است، که نشان می‌دهد آزمایشگر می‌تواند فعالیت سلول‌ها را کنترل کند. ج) تغییرات رفتاری ناشی از تحریک اپتوژنتیک سلول‌ها در ناحیه‌ای از آمیگدال. وقتی موش‌ها در یک محوطه باز مستطیل شکل قرار می‌گیرند، معمولاً نزدیک دیوارها می‌مانند (سمت چپ). با فعال شدن آمیگدال، موش‌ها کمتر ترسیده‌اند و به قسمت باز عرصه (سمت راست) می‌روند.

FIGURE 3.15 Transcranial magnetic stimulation.
(a) The TMS coil is held by the experimenter against the participant’s head. (b) The TMS pulse directly alters neural activity in a spherical area of approximately 1 cm3 (represented here with blue coloring).

شکل ۳.۱۵ تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال.
(الف) سیم پیچ TMS توسط آزمایشگر در مقابل سر شرکت کننده نگه داشته می‌شود. (ب) پالس TMS مستقیماً فعالیت عصبی را در یک ناحیه کروی تقریباً ۱ سانتی متر مکعب تغییر می‌دهد (در اینجا با رنگ آبی نشان داده شده است).

The area of neural activation depends on the shape and positioning of the TMS coil. For example, when the coil is over the hand area of the motor cortex, stimulation activates the muscles of the wrist and fingers. The sensation can be rather bizarre: The hand visibly twitches, yet the participant is aware that the movement is involuntary! For most areas of the cortex, however, the TMS pulse produces no directly observable effect. Rather, experimental protocols employ a control condition against which to compare performance during TMS.

ناحیه فعال سازی عصبی به شکل و موقعیت سیم پیچ TMS بستگی دارد. به عنوان مثال، هنگامی‌که سیم پیچ روی ناحیه دست قشر حرکتی قرار دارد، تحریک عضلات مچ دست و انگشتان را فعال می‌کند. این احساس می‌تواند نسبتاً عجیب باشد: دست به وضوح منقبض می‌شود، با این حال شرکت کننده آگاه است که حرکت غیرارادی است! با این حال، برای بیشتر نواحی قشر مغز، پالس TMS هیچ اثر قابل مشاهده مستقیمی‌ایجاد نمی‌کند. در عوض، پروتکل‌های تجربی از یک شرایط کنترلی استفاده می‌کنند تا عملکرد را در طول TMS مقایسه کنند.

There are numerous such protocols, or ways in which stimulation can be manipulated. Researchers can administer TMS pulses at various intensities, timings (single, repetitive, continuous), and frequencies. They can do this “online” (while the participant performs a task) or “offline” (using protocols in which the consequences of TMS are known to last well beyond the duration of the stimulation itself). Researchers find offline protocols especially appealing because the participant’s task performance is affected only by the neural consequences of the stimulation, and not by discomfort or other sensations from the procedure itself.

چنین پروتکل‌ها یا راه‌هایی وجود دارد که تحریک را می‌توان دستکاری کرد. محققان می‌توانند پالس‌های TMS را در شدت‌ها، زمان بندی‌های مختلف (تک، تکراری، مداوم) و فرکانس‌های مختلف اجرا کنند. آن‌ها می‌توانند این کار را «آنلاین» (در حالی که شرکت‌کننده یک کار را انجام می‌دهد) یا «آفلاین» (با استفاده از پروتکل‌هایی که در آن‌ها مشخص است عواقب TMS بسیار فراتر از مدت زمان خود تحریک طول می‌کشد) انجام دهند. محققان پروتکل‌های آفلاین را به‌ویژه جذاب می‌دانند، زیرا عملکرد تکلیف شرکت‌کننده تنها تحت تأثیر پیامدهای عصبی تحریک قرار می‌گیرد، نه ناراحتی یا سایر احساسات ناشی از خود روش.

Depending on the protocol, the effects of stimulation may either inhibit or enhance neural activity. For example, in repetitive TMS (rTMS), the researcher applies bursts of TMS pulses over several minutes. At a low frequency (1 cycle per second, or 1 Hz) applied over 10 to 15 minutes, this procedure has the effect of depressing cortical excitability. At higher frequencies, such as 10 Hz, excitability increases. Another offline protocol, continuous theta burst stimulation (cTBS), applies very-high-frequency stimulation for 40 seconds (600 pulses). Interestingly, this short period of stimulation depresses activity in the targeted cortical region for 45 to 60 minutes.

بسته به پروتکل، اثرات تحریک ممکن است فعالیت عصبی را مهار یا افزایش دهد. به عنوان مثال، در TMS تکراری (rTMS)، محقق ضربان‌های TMS را طی چند دقیقه اعمال می‌کند. در فرکانس پایین (۱ سیکل در ثانیه یا ۱ هرتز) که در مدت ۱۰ تا ۱۵ دقیقه اعمال می‌شود، این روش باعث کاهش تحریک پذیری قشر مغز می‌شود. در فرکانس‌های بالاتر، مانند ۱۰ هرتز، تحریک پذیری افزایش می‌یابد. پروتکل آفلاین دیگر، تحریک مداوم تتا انفجاری (cTBS)، تحریک با فرکانس بسیار بالا را به مدت ۴۰ ثانیه (۶۰۰ پالس) اعمال می‌کند. جالب توجه است که این دوره کوتاه تحریک، فعالیت در ناحیه قشر هدف را به مدت ۴۵ تا ۶۰ دقیقه کاهش می‌دهد.

TMS has become a valuable research tool in cognitive neuroscience because of its ability to induce “virtual lesions” (Pascual-Leone et al., 1999). By stimulating the brain, the experimenter is disrupting normal activity in a selected region of the cortex. Similar to the logic behind lesion studies, researchers use the behavioral consequences of the stimulation to shed light on the normal function of a the disrupted tissue. This method is appealing because the technique, when properly conducted, is safe and noninvasive, producing only a relatively brief alteration in neural activity and allowing comparisons between stimulated and nonstimulated conditions in the same individual. Such comparison is not possible with brain- injured patients.

TMS به دلیل توانایی آن در ایجاد “ضایعات مجازی” به یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند در علوم اعصاب شناختی تبدیل شده است (Pascual-Leone et al., 1999). آزمایشگر با تحریک مغز، فعالیت عادی را در یک ناحیه انتخاب شده از قشر مختل می کند. مشابه منطق پشت مطالعات ضایعه، محققان از پیامدهای رفتاری تحریک برای روشن کردن عملکرد طبیعی بافت مختل شده استفاده می‌کنند. این روش جذاب است زیرا این روش، زمانی که به درستی انجام شود، ایمن و غیرتهاجمی‌است، تنها یک تغییر نسبتاً مختصر در فعالیت عصبی ایجاد می‌کند و امکان مقایسه بین شرایط تحریک‌شده و غیرتحریک‌شده را در یک فرد فراهم می‌کند. چنین مقایسه ای با بیماران آسیب دیده مغزی امکان پذیر نیست.

Using the virtual-lesion approach, participants are usually not aware of any stimulation effects. For example, stimulation over visual cortex (Figure 3.16) interferes with a person’s ability to identify a letter (Corthout et al., 1999). The synchronized discharge of the underlying visual neurons interferes with their normal operation. To plot the time course of processing, the experimenter manipulates the timing between the onset of the TMS pulse and the onset of the stimulus (e.g., presentation of a letter). In the letter identification task, the person will err only if the stimulation occurs between 70 and 130 milliseconds (ms) after presentation of the letter. If TMS is given before this interval, the neurons have time to recover; if given after this interval, the visual neurons have already responded to the stimulus.

با استفاده از رویکرد ضایعه مجازی، شرکت کنندگان معمولاً از هیچ اثر تحریکی آگاه نیستند. به عنوان مثال، تحریک بر روی قشر بینایی (شکل ۳.۱۶) با توانایی شخص برای شناسایی یک حرف تداخل می‌کند (Corthout et al., 1999). تخلیه همزمان نورون‌های بینایی زیرین در عملکرد طبیعی آنها اختلال ایجاد می‌کند. برای ترسیم دوره زمانی پردازش، آزمایشگر زمان بین شروع پالس TMS و شروع محرک را دستکاری می‌کند (به عنوان مثال، ارائه یک نامه). در تکلیف شناسایی حروف، فرد تنها در صورتی اشتباه می‌کند که تحریک بین ۷۰ تا ۱۳۰ میلی ثانیه (ms) پس از ارائه نامه اتفاق بیفتد. اگر TMS قبل از این فاصله داده شود، نورون‌ها زمان بهبودی دارند. اگر بعد از این فاصله داده شود، نورون‌های بینایی قبلاً به محرک پاسخ داده اند.

As with all methods, TMS has its limitations. With currently available coils, the area of primary activation has about a 1-cm radius and thus can activate only relatively superficial areas (Figure 3.15b). New techniques to allow stimulation of deeper structures, perhaps by combining the effects of multiple coils, are being developed. Moreover, while the effects of stimulation are maximal directly underneath the coil, there are secondary effects on connected cortical areas, further akin to TMS, although the effects of cathodal stimulation limiting its spatial resolution.

مانند همه روش‌ها، TMS محدودیت‌های خود را دارد. با سیم پیچ‌های موجود در حال حاضر، ناحیه فعال سازی اولیه تقریباً شعاع ۱ سانتی متری دارد و بنابراین می‌تواند فقط مناطق نسبتاً سطحی را فعال کند (شکل ۳.15b). تکنیک‌های جدیدی برای تحریک ساختارهای عمیق تر، شاید با ترکیب اثرات سیم پیچ‌های متعدد، در حال توسعه هستند. علاوه بر این، در حالی که اثرات تحریک مستقیماً در زیر سیم پیچ حداکثر است، اثرات ثانویه بر روی نواحی قشری متصل، مشابه TMS وجود دارد، اگرچه اثرات تحریک کاتدی وضوح فضایی آن را محدود می‌کند.

FIGURE 3.16 Transcranial magnetic stimulation over the occipital lobe.
(a) The center of the coil is positioned over the occipital lobe to disrupt visual processing. The participant attempts to name letters that are briefly presented on the screen. A TMS pulse is applied on some trials, either just before or just after the letter. (b) The independent variable is the time between the TMS pulse and letter presentation. Visual perception is markedly disrupted when the pulse occurs 70 to 130 ms after the letter, because of the disruption of neural activity in the visual cortex. There is also a drop in performance if the pulse comes before the letter. This is likely an artifact that is due to the participant blinking in response to the sound of the TMS pulse.

شکل ۳.۱۶ تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال روی لوب پس سری.
(الف) مرکز سیم پیچ روی لوب اکسیپیتال قرار دارد تا پردازش بینایی را مختل کند. شرکت‌کننده تلاش می‌کند تا حروفی را که به طور خلاصه روی صفحه نمایش داده می‌شوند نام‌گذاری کند. یک پالس TMS در برخی آزمایش‌ها، درست قبل یا بلافاصله بعد از نامه اعمال می‌شود. (ب) متغیر مستقل زمان بین پالس TMS و نمایش نامه است. هنگامی‌که نبض ۷۰ تا ۱۳۰ میلی‌ثانیه بعد از حرف رخ می‌دهد، به دلیل اختلال در فعالیت عصبی در قشر بینایی، ادراک بینایی به طور قابل توجهی مختل می‌شود. همچنین اگر نبض قبل از حرف باشد، عملکرد افت می‌کند. این احتمالاً یک مصنوع است که به دلیل پلک زدن شرکت‌کننده در پاسخ به صدای پالس TMS است.

As with many research tools, the needs of clinical medicine originally drove the development of TMS. Direct stimulation of the motor cortex provides a relatively simple way to assess the integrity of motor path- ways, because about 20 ms after stimulation we can detect muscle activity in the periphery. Repetitive TMS has also begun to be used as a treatment for unipolar depression in cases that have not benefited from medication or therapy. Physicians are considering its use as a treatment for a wide range of other conditions, including hallucinations, drug craving, neurological diseases such as Parkinson’s disease, and stuttering. Rehabilitation studies are also testing the use of rTMS for patients with disorders of motor or language function (Rossi et al., 2009).

مانند بسیاری از ابزارهای تحقیقاتی، نیازهای پزشکی بالینی در اصل باعث توسعه TMS شد. تحریک مستقیم قشر حرکتی روشی نسبتاً ساده برای ارزیابی یکپارچگی مسیرهای حرکتی فراهم می‌کند، زیرا حدود ۲۰ میلی‌ثانیه پس از تحریک می‌توانیم فعالیت عضلانی را در محیط اطراف تشخیص دهیم. TMS مکرر همچنین به عنوان درمانی برای افسردگی تک قطبی در مواردی که از دارو یا درمان سودی نبرده‌اند استفاده می‌شود. پزشکان استفاده از آن را به عنوان درمانی برای طیف گسترده ای از شرایط دیگر، از جمله توهم، ولع مصرف مواد مخدر، بیماری‌های عصبی مانند بیماری پارکینسون و لکنت در نظر دارند. مطالعات توانبخشی همچنین استفاده از rTMS را برای بیماران مبتلا به اختلالات عملکرد حرکتی یا زبانی آزمایش می‌کند (روسی و همکاران، ۲۰۰۹).

Researchers are constantly looking for new ways to noninvasively stimulate the brain. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a brain stimulation procedure that delivers a constant, low current to the brain via electrodes placed on the scalp. The essence of this method has been around in some form for the last 2,000 years. The early Greeks and Romans used electric torpedo fish, which can deliver from 8 to 220 volts of DC electricity, to stun and numb patients in an attempt to alleviate the pain of childbirth and migraine headaches. Today’s electrical stimulation uses a much smaller cur- rent (1-4 mV) that feels like a tingling or itchy feeling when it is turned on or off.

محققان به طور مداوم به دنبال راه‌های جدیدی برای تحریک غیرتهاجمی‌مغز هستند. تحریک جریان مستقیم ترانس کرانیال (tDCS) یک روش تحریک مغز است که یک جریان ثابت و کم را از طریق الکترودهایی که روی پوست سر قرار می‌گیرد به مغز می‌رساند. ماهیت این روش به شکلی در ۲۰۰۰ سال گذشته وجود داشته است. یونانیان و رومیان اولیه برای کاهش درد زایمان و سردردهای میگرنی از ماهی‌های اژدر الکتریکی استفاده می‌کردند که می‌تواند از ۸ تا ۲۲۰ ولت برق DC را برای بیماران بی‌حس و بی‌حس کند. تحریک الکتریکی امروزی از جریان بسیار کمتری (۱-۴ میلی ولت) استفاده می‌کند که هنگام روشن یا خاموش کردن، احساس سوزن سوزن شدن یا خارش می‌کند.

In tDCS, a current is sent between two electrodes on the scalp: an anode and a cathode. Physiological studies show that neurons under the anode become depolarized; that is, they achieve an elevated state of excitability, close to threshold, making them more likely to initiate an action potential when a stimulus or movement occurs (see Chapter 2). Neurons under the cathode become hyperpolarized: Pushed farther away from threshold, they become less likely to fire. Thus, one advantage of tDCS is that it can selectively excite or inhibit targeted neural areas depending on the polarity of the current. Moreover, the changes in excitability can last up to an hour or so. Yet, because tDCS alters neural activity over a much larger area than is directly affected by a TMS pulse, it has the disadvantage of poor spatial resolution.

در tDCS، جریانی بین دو الکترود روی پوست سر ارسال می‌شود: آند و کاتد. مطالعات فیزیولوژیکی نشان می‌دهد که نورون‌های زیر آند دپلاریزه می‌شوند. یعنی، آنها به یک حالت تحریک پذیری بالا، نزدیک به آستانه دست می‌یابند، که باعث می‌شود در هنگام وقوع یک محرک یا حرکت، احتمال بیشتری برای شروع یک پتانسیل کنش وجود داشته باشد (به فصل ۲ مراجعه کنید). نورون‌های زیر کاتد هیپرپلاریزه می‌شوند: اگر از آستانه دورتر شوند، احتمال شلیک کمتر می‌شوند. بنابراین، یکی از مزایای tDCS این است که می‌تواند به طور انتخابی مناطق عصبی هدف را بسته به قطبیت جریان تحریک یا مهار کند. علاوه بر این، تغییرات در تحریک پذیری می‌تواند تا یک ساعت یا بیشتر طول بکشد. با این حال، از آنجایی که tDCS فعالیت عصبی را در یک منطقه بسیار بزرگتر از آن چیزی که مستقیماً توسط یک پالس TMS تحت تأثیر قرار می‌گیرد، تغییر می‌دهد، نقطه ضعف آن وضوح فضایی ضعیف است.

Transcranial direct current stimulation produces changes in a wide range of sensory, motor, and cognitive tasks, sometimes within a single experimental session. Anodal tDCS generally leads to improvements in performance, perhaps because the neurons are in a more excitable state. Cathodal stimulation may hinder performance, akin to TMS, although the effects of cathodal stimulation are generally less consistent. Patients with various neurological conditions, such as stroke or chronic pain, can benefit from tDCS. Though the immediate physiological effects are short-lived, lasting for perhaps an hour beyond the stimulation phase, repeated application of tDCS can prolong the duration of the benefit from minutes to weeks (Boggio et al., 2007).

تحریک جریان مستقیم جمجمه ای تغییراتی را در طیف وسیعی از وظایف حسی، حرکتی و شناختی ایجاد می‌کند، گاهی اوقات در یک جلسه آزمایشی. tDCS آنودال به طور کلی منجر به بهبود عملکرد می‌شود، شاید به این دلیل که نورون‌ها در حالت تحریک پذیرتری قرار دارند. تحریک کاتدی ممکن است مانند TMS مانع از عملکرد شود، اگرچه اثرات تحریک کاتدی معمولاً کمتر سازگار است. بیماران مبتلا به بیماری‌های عصبی مختلف، مانند سکته مغزی یا درد مزمن، می‌توانند از tDCS بهره مند شوند. اگرچه اثرات فیزیولوژیکی فوری کوتاه مدت هستند و شاید برای یک ساعت فراتر از مرحله تحریک باقی بمانند، استفاده مکرر از tDCS می‌تواند مدت زمان سود را از چند دقیقه به هفته افزایش دهد (Boggio et al., 2007).

TRANSCRANIAL ALTERNATING CURRENT STIMULATION

تحریک جریان متناوب جمجمه ای

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a newer procedure in which the electrical current oscillates rather than remaining constant as in tDCS. The experimenter controls the rate of tACS oscillation, providing another tool to modulate brain function. This added level of control is especially appealing because research has shown that different frequencies of brain oscillations are associated with different cognitive functions (Başar et al., 2001; Engel et al., 2001). With tACS, the experimenter can induce oscillations at specific frequencies, providing a unique opportunity to causally link brain oscillations of a specific frequency range to cognitive processes (C. S. Herrmann et al., 2013).

تحریک جریان متناوب ترانس کرانیال (tACS) یک روش جدیدتر است که در آن جریان الکتریکی به جای ثابت ماندن مانند tDCS نوسان می‌کند. آزمایشگر سرعت نوسان tACS را کنترل می‌کند و ابزار دیگری برای تعدیل عملکرد مغز ارائه می‌دهد. این سطح کنترل اضافه شده به ویژه جذاب است زیرا تحقیقات نشان داده است که فرکانس‌های مختلف نوسانات مغز با عملکردهای شناختی متفاوتی مرتبط است (بشار و همکاران، ۲۰۰۱؛ انگل و همکاران، ۲۰۰۱). با tACS، آزمایش‌کننده می‌تواند نوسان‌هایی را در فرکانس‌های خاص القا کند، و فرصتی منحصر به فرد برای پیوند علّی نوسانات مغزی در یک محدوده فرکانسی خاص به فرآیندهای شناختی فراهم می‌کند (C. S. Herrmann و همکاران، ۲۰۱۳).

As with TMS, the direction and the duration of the tACS-induced effects can vary with the frequency, intensity, and phase of the stimulation. Simultaneously applying multiple stimulators enables the experimenter to manipulate the degree of synchronization in activity of two different brain regions, with the intent of enhancing communication between the areas. For example, when researchers applied 6-Hz tACS in phase over electrodes positioned over frontal and parietal regions, they found boosts to performance on a working memory task com- pared to a condition in which the stimulators were out of phase (Polanía et al., 2012).

مانند TMS، جهت و مدت اثرات ناشی از tACS می‌تواند با فرکانس، شدت و فاز تحریک متفاوت باشد. استفاده همزمان از محرک‌های متعدد، آزمایشگر را قادر می‌سازد تا درجه همگام سازی در فعالیت دو ناحیه مختلف مغز را با هدف افزایش ارتباط بین نواحی دستکاری کند. به عنوان مثال، هنگامی‌که محققان tACS 6 هرتز را در فاز روی الکترودهایی که روی نواحی فرونتال و جداری قرار داشتند، اعمال کردند، در مقایسه با شرایطی که محرک‌ها خارج از فاز بودند، افزایش عملکرد را در یک کار حافظه کاری مشاهده کردند (Polanía et al., 2012).

LIMITATIONS AND NEW DIRECTIONS IN NON- INVASIVE BRAIN STIMULATION

محدودیت‌ها و جهت‌های جدید در تحریک غیر تهاجمی‌مغز

TMS, tDCS, and tACS are safe methods for transiently disrupting the activity of the human brain. An appealing feature of these methods is that researchers can design experiments to test specific functional hypotheses. Unlike the case with neuropsychological studies in which comparisons are usually between a patient group and matched controls, participants in TMS, tDCS, and tACS studies can serve as their own controls because the effects of these stimulation procedures are transient.

TMS، tDCS و tACS روش‌های ایمن برای ایجاد اختلال در فعالیت مغز انسان هستند. ویژگی جذاب این روش‌ها این است که محققان می‌توانند آزمایش‌هایی را برای آزمایش فرضیه‌های عملکردی خاص طراحی کنند. بر خلاف مورد مطالعات عصب روانشناختی که در آن مقایسه‌ها معمولاً بین یک گروه بیمار و گروه‌های کنترل همسان انجام می‌شود، شرکت‌کنندگان در مطالعات TMS، tDCS و tACS می‌توانند به عنوان کنترل‌های خودشان عمل کنند، زیرا اثرات این روش‌های تحریک گذرا هستند.

In terms of limitations, tDCS, tACS, and to a lesser extent TMS all have poor spatial resolution, limiting the ability to make strong inferences concerning mind-brain relationships. In addition, although these techniques offer great promise, to date the results have been somewhat inconsistent. The reasons for this inconsistency are the subject of intensive study. Many variables can influence the strength of the electrical field at the cortex induced by stimulation applied to the scalp, such as the thickness of the skull and layers of the meninges. Individuals may also vary in their sensitivity to electrical stimulation because of their unique physiology and neurochemistry. We need a better understanding of how differences in anatomy and neurochemistry produce differences in sensitivity and responsiveness to brain stimulation.

از نظر محدودیت‌ها، tDCS، tACS و تا حدودی TMS همگی وضوح فضایی ضعیفی دارند و توانایی استنتاج قوی در مورد روابط ذهن و مغز را محدود می‌کنند. علاوه بر این، اگرچه این تکنیک‌ها نویدبخش هستند، اما تا به امروز نتایج تا حدودی ناسازگار بوده است. دلایل این ناهماهنگی موضوع مطالعه فشرده است. بسیاری از متغیرها می‌توانند بر قدرت میدان الکتریکی قشر ناشی از تحریک اعمال شده به پوست سر تأثیر بگذارند، مانند ضخامت جمجمه و لایه‌های مننژ. همچنین ممکن است افراد به دلیل فیزیولوژی و شیمی‌عصبی منحصر به فرد خود از نظر حساسیت نسبت به تحریک الکتریکی متفاوت باشند. ما به درک بهتری نیاز داریم که چگونه تفاوت در آناتومی‌و شیمی‌عصبی باعث ایجاد تفاوت در حساسیت و پاسخگویی به تحریک مغز می‌شود.

TRANSCRANIAL STATIC MAGNETIC STIMULATION AND TRANSCRANIAL FOCUSED ULTRASOUND

تحریک مغناطیسی استاتیکی ترانس کرانیال و اولتراسوند متمرکز بر جمجمه

Transcranial static magnetic stimulation (tSMS) uses strong magnets to create magnetic fields that, as with TMS, perturb electrical activity and thus temporarily alter cortical function. The technique is inexpensive and does not require a skilled operator. Nor does it produce some of the side effects associated with other stimulation techniques, such as the itching or tingling of tDCS or the occasional headaches of TMS. Indeed, real and sham stimulation conditions are indistinguishable to the participant.

تحریک مغناطیسی استاتیک ترانس کرانیال (tSMS) از آهنرباهای قوی برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کند که مانند TMS، فعالیت الکتریکی را مختل می‌کند و بنابراین به طور موقت عملکرد قشر مغز را تغییر می‌دهد. این تکنیک ارزان است و نیازی به اپراتور ماهر ندارد. همچنین برخی از عوارض جانبی مرتبط با سایر تکنیک‌های تحریک، مانند خارش یا سوزن سوزن شدن tDCS یا سردردهای گاه به گاه TMS را ایجاد نمی‌کند. در واقع، شرایط تحریک واقعی و ساختگی برای شرکت‌کننده قابل تشخیص نیستند.

Another emerging method, one that promises improved spatial resolution and the ability to target deeper structures, is transcranial focused ultrasound (tFUS). It involves the generation of a low-intensity, low-frequency ultrasound signal. This signal increases the activity of voltage-gated sodium and calcium channels, thus triggering action potentials. Early work with this method has shown that tFUS can produce focal effects limited to a 5-mm area.

روش نوظهور دیگر، روشی که نوید بهبود وضوح فضایی و توانایی هدف‌گیری ساختارهای عمیق‌تر را می‌دهد، اولتراسوند متمرکز از طریق جمجمه (tFUS) است. این شامل تولید یک سیگنال اولتراسوند با شدت کم و فرکانس پایین است. این سیگنال فعالیت کانال‌های سدیم و کلسیمی‌را افزایش می‌دهد و در نتیجه پتانسیل‌های عمل را تحریک می‌کند. کار اولیه با این روش نشان داده است که tFUS می‌تواند اثرات کانونی محدود به یک منطقه ۵ میلی متری ایجاد کند.

TAKE-HOME MESSAGES

پیام‌های کلیدی

▪️ Brain function can be perturbed by drugs, genetic manipulations, and magnetic or electrical stimulation. In most cases, these methods allow the same participants to be tested in both “on” and “off” states, enabling within-participant comparisons of performance.

▪️ عملکرد مغز می‌تواند توسط داروها، دستکاری‌های ژنتیکی و تحریک مغناطیسی یا الکتریکی مختل شود. در بیشتر موارد، این روش‌ها به شرکت‌کنندگان اجازه می‌دهند که در هر دو حالت «روشن» و «خاموش» آزمایش شوند و امکان مقایسه عملکرد درون شرکت‌کنندگان را فراهم می‌کنند.

▪️ Genetic manipulations have played a major role in neuroscience studies using animal models. Knockout technology enables scientists to explore the consequences of the lack of expression of a specific gene in order to determine its role in behavior. Optogenetic methods provide the experimenter with the ability to control neuronal activity in targeted cells.

▪️ دستکاری‌های ژنتیکی نقش عمده ای در مطالعات علوم اعصاب با استفاده از مدل‌های حیوانی ایفا کرده است. فناوری ناک اوت دانشمندان را قادر می‌سازد تا پیامدهای عدم بیان یک ژن خاص را بررسی کنند تا نقش آن را در رفتار مشخص کنند. روش‌های اپتوژنتیک توانایی کنترل فعالیت عصبی در سلول‌های هدف را به آزمایشگر می‌دهد.

▪️ Noninvasive stimulation methods perturb neural activity in healthy and neurologically impaired humans. By varying the stimulation protocols, we can enhance or suppress neural activity in targeted regions.

▪️ روش‌های تحریک غیرتهاجمی فعالیت عصبی را در انسان‌های سالم و دارای اختلال عصبی مختل می‌کنند. با تغییر پروتکل‌های تحریک، می‌توانیم فعالیت عصبی را در مناطق هدف افزایش یا سرکوب کنیم.

این قسمت به بعد بررسی شود: 

۳.۳ روش هایی برای برهم زدن عملکرد عصبی

فارماکولوژی