内因性ミュー周波数での経頭蓋交流刺激による体性感覚野の機能的接続性の低下

Reduction of somatosensory functional connectivity by transcranial alternating current stimulation at endogenous mu-frequency.

• Christopher Gundlach
• Matthias M Müller
• Maike Hoff
• Patrick Ragert
• Till Nierhaus
• Arno Villringer
• Bernhard Sehm

抄録

ヒトの最も顕著な脳のリズムであるアルファは、神経処理をゲートするための機能的な抑制のメカニズムを反映している可能性があります。この概念は、主に局所的な抑制の測定から導き出されてきたが、情報の流れを誘導する大規模なネットワークメカニズムはほとんど知られていない。ここでは、ヒトの経頭蓋交流刺激（tACS）と安静時機能MRIを併用して、全脳レベルでの機能的接続性の変化を調べた。特に、tACSの周波数を各個人の体性感覚(mu-)αピーク周波数(mu-tACS)に調整することで、体性感覚α帯の振動に焦点を当てた。一次体性感覚野(S1)の固有ベクトル中心性の潜在的な違いを解析し、mu-tACSと偽物との間の全脳レベルでの違いを明らかにした。その結果、mu-tACSは左S1の全脳レベルでの機能的接続性を局所的に低下させることが明らかになりました。追加の探索的分析により、この効果は主に左S1と体性感覚処理に重要に関与する領域のネットワーク間の機能的接続性の低下に依存していることが明らかになりました。さらに、機能的中心性の低下はmu-tACSに特異的であり、独立した研究ではガンマ領域でtACSを適用した場合には観察されなかった。これらの知見は、調節された体性感覚(mu-)α活動が、感覚処理に関与する他のハブから一次感覚領域を切り離すことにより、全脳ネットワークレベルの活動に影響を与える可能性があるという証拠を提供するものである。

Alpha, the most prominent human brain rhythm, might reflect a mechanism of functional inhibition for gating neural processing. This concept has been derived predominantly from local measures of inhibition, while large-scale network mechanisms to guide information flow are largely unknown. Here, we investigated functional connectivity changes on a whole-brain level by concurrent transcranial alternating current stimulation (tACS) and resting-state functional MRI in humans. We specifically focused on somatosensory alpha-band oscillations by adjusting the tACS frequency to each individual´s somatosensory (mu-) alpha peak frequency (mu-tACS). Potential differences of Eigenvector Centrality of primary somatosensory cortex (S1) as well as on a whole brain level between mu-tACS and sham were analyzed. Our results demonstrate that mu-tACS induces a locally-specific decrease in whole-brain functional connectivity of left S1. An additional exploratory analysis revealed that this effect primarily depends on a decrease in functional connectivity between S1 and a network of regions that are crucially involved in somatosensory processing. Furthermore, the decrease in functional centrality was specific to mu-tACS and was not observed when tACS was applied in the gamma-range in an independent study. Our findings provide evidence that modulated somatosensory (mu-) alpha-activity may affect whole-brain network level activity by decoupling primary sensory areas from other hubs involved in sensory processing.

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