Parte 1: Il declino legato all'età del tono inibitorio corticale rafforza la memoria motoria

Contatto: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Pierre Petiteta,b,1,∗, Gershon Spitza,c,1, Uzay E. Emird,e, Heidi Johansen-Berga, Jacinta O'Sheaa,f

a Wellcome Center for Integrative Neuroimaging, FMRIB Center, Nuffield Department of Clinical Neurosciences (NDCN), John Radcliffe Hospital, Headington, Oxford, Regno Unito

b Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Equipe Trajectoires, Inserm UMR-S 1028, CNRS UMR 5292, Université Lyon 1, Bron, Francia

c Turner Institute for Brain and Mental Health, Monash University, Melbourne, Australia

d School of Health Sciences, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA

e Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA

f Wellcome Center for Integrative Neuroimaging, Oxford Center for Human Brain Activity (OHBA), Dipartimento di Psichiatria dell'Università di Oxford, Warneford Hospital, Warneford Lane, Oxford, Regno Unito

a b s t r a c t:

L'invecchiamento interrompe l'equilibrio eccitazione/inibizione finemente sintonizzato (E:I) attraverso la corteccia attraverso un naturale declino del tono inibitorio (acido -aminobutirrico, GABA), causando decrementi funzionali. Tuttavia, nei giovani adulti, l'abbassamento sperimentale del GABA nella corteccia sensomotoria migliora un dominio specifico di una funzione sensomotoria: l'adattamentomemoria. Qui, abbiamo testato l'ipotesi che, poiché il GABA corticale sensomotorio diminuisce naturalmente con l'età, l'adattamentomemoriaaumenterebbe, e il primo spiegherebbe il secondo. I risultati hanno confermato questa previsione. Per dimostrare la causalità, abbiamo utilizzato la stimolazione cerebrale per abbassare ulteriormente il GABA corticale sensomotorio durante l'adattamento. Negli individui, il modo in cui la stimolazione ha cambiato la memoria dipendeva dalla corteccia sensorimotoria E:I. In quelli con E:I basso, la stimolazione è aumentatamemoria; in quelli con E:I alta stimolazione ridottamemoria. Pertanto, abbiamo identificato una forma di memoria motoria che è naturalmente rafforzata dall'età, dipende causalmente dalla neurochimica della corteccia sensomotoria e può essere un potente bersaglio per le strategie di conservazione delle abilità motorie nell'invecchiamento sano e nella neuroriabilitazione.

Cistanche può migliorare la memoria

1. Introduzione

Le capacità motorie diminuiscono con l'età (Hunter et al., 2016; Krampe, 2002). Man mano che il cervello e il corpo invecchiano, i movimenti perdono velocità (Bedard et al., 2002; Jiménez-Jiménez et al., 2011), forza (Frontera et al., 2000) e coordinazione (Serrien et al., 2000). Questa naturale perdita di funzione è esacerbata da disturbi motori che aumentano bruscamente con l'età (es. ictus, sarcopenia, parkinsonismo). Con l'aumento della popolazione anziana (Leeson, 2018), sono necessarie strategie per contrastare e compensare il declino motorio legato all'età.

Durante l'invecchiamento, il sistema motorio deve adattarsi continuamente ai continui cambiamenti neuro-muscoloscheletrici. La plasticità cerebrale lo consente. La plasticità è essenziale per apprendere nuove abilità motorie, adattarsi e conservare quelle esistenti e riabilitare le funzioni compromesse dalla malattia (Dayan e Cohen, 2011; Sampaio-Baptista et al., 2018). Pertanto, la plasticità gioca un ruolo importante nella mitigazione del declino motorio legato all'età (McNeil e Rice, 2018; Rozycka e Liguz-Lecznar, 2017).

Sfortunatamente, anche la plasticità diminuisce con l'età (Burke e Barnes, 2006), soprattutto nel dominio motorio (Bhandari et al., 2016; Freitas et al., 2013; Rogasch et al., 2009). Una delle cause principali è la disregolazione dell'equilibrio finemente sintonizzato tra eccitazione corticale e inibizione (E:I) (Rozycka e Liguz-Lecznar, 2017). Attraverso la corteccia, E:I è interrotto perché -l'acido aminobutirrico (GABA) - il principale neurotrasmettitore inibitorio - è stato segnalato principalmente per diminuire con l'età, 2018), capacità ridotta di sopprimere le risposte automatiche (Hermans et al., 2018a) e più lento apprendimento della sequenza motoria (King et al., 2020).

Al contrario, qui abbiamo testato l'ipotesi che, poiché il GABA M1 diminuisce con l'età, una forma specifica di funzione motoria dell'arto superiore - adattamentomemoria– aumenterebbe. Nell'arco della vita, l'adattamento è quella proprietà del sistema sensomotorio che consente agli individui di contrastare le perturbazioni regolando i propri movimenti e mantenendo così prestazioni motorie di successo (Franklin e Wolpert, 2011; Wolpert et al., 2011). Dopo che questa forma di apprendimento è avvenuta e la perturbazione è stata rimossa, l'adattamentomemoriaè espresso come effetto post-effetto (AE) – una distorsione del movimento nella direzione opposta alla perturbazione. La forza dell'adattamentomemoriaè indicizzato dalla persistenza nel tempo di questo AE. Ci sono molte prove che mentre gli anziani spesso mostrano deficit durante l'esposizione a una perturbazione sensomotoria (cioè riduzione più lenta dell'errore; Anguera et al., 2011; Bock, 2005; Buch et al., 2003; Fernández-Ruiz et al., 2000; Huang e Ahmed, 2014; Panouillères et al., 2015; Vandevoorde e Orban de Xivry, 2019), in seguito alla rimozione della perturbazione, l'AE è preservato (Bock, 2005; Buch et al., 2003; Hegele e Heuer, 2008 ; Panouillères et al., 2015; Roller et al., 2002; Vandevoorde e Orban de Xivry, 2019) o addirittura aumentato (Fernández-Ruiz et al., 2000; Nemanich e Earhart, 2015; Wolpe et al., 2020) rispetto agli adulti più giovani (sebbene si veda: Malone e Bastian, 2016). Da e controindicazioni di sicurezza per le misurazioni MRS e tDCS. Lo screening è stato eseguito da uno degli sperimentatori e l'anamnesi dei partecipanti è stata determinata mediante autovalutazione. Il consenso informato scritto è stato fornito da tutti i partecipanti. Lo studio è stato approvato dal UK NHS Research Ethics Committee (Oxford A; numero di riferimento REC: 13/SC/0163). Nell'Esperimento 1, tutti i partecipanti (=32) hanno eseguito l'adattamento del prisma (PA) e i test di ritenzione a breve ({24}}minuti) ea lungo termine (24-ore). Un sottocampione è stato sottoposto a una scansione MRS per misurare la neurochimica nella corteccia sensomotoria sinistra (=22) e in un volume di controllo anatomico nella corteccia occipitale (=20; Fig. S2). Un sottocampione ha acconsentito a partecipare anche all'Esperimento 2 ({33}}), costituito da due sessioni settimanali di PA combinate con tDCS anodico/sham a M1. I dettagli completi di quali misurazioni sono state ottenute per ciascun individuo sono nella tabella S1.

Nell'Esperimento 1, la dimensione del campione (=32) è stata determinata sulla base di un'analisi di potenza eseguita in G∗Power (Faul et al., 2007) (Versione 3.1.9.2), in-formato da precedenti indagini dell'associazione tra comportamento e cambiamento del GABA correlato all'età all'interno del dominio motorio (Heise et al., 2013; Hermans et al., 2018a). La dimensione media dell'effetto in questi studi è stata ||=0.52. Per rilevare un effetto di queste dimensioni è necessario un campione minimo di=19 con una probabilità di un errore di Tipo I=0.05 e una potenza (1 − )=0.80 (basata su un analisi correlazionale a una coda a priori). La nostra prospettiva neurochimica, il lavoro precedente ha mostrato che l'abbassamento sperimentale del tono inibitorio M1 durante l'adattamento attraverso la stimolazione cerebrale non ha influenzato sul tasso di adattamento, ma ha aumentato la persistenza dell'AE nei giovani adulti (Galea et al., 2010; O'Shea et al. , 2017). Qui, abbiamo ragionato sul fatto che se la ritenzione di AE dipende causalmente dal tono inibitorio M1, allora questa forma dimemoriapuò aumentare naturalmente con l'età a causa di un declino del GABA M1 correlato all'età.

Questa ipotesi è stata confermata in uno studio trasversale di trentadue anziani sani (età media: 67,46 anni, sd: 8,07). Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica (MRS) per quantificare la neurochimica, abbiamo dimostrato che il GABA M1 diminuisce con l'età. Utilizzando l'adattamento del prisma (PA; von Helmholtz, 1867), abbiamo dimostrato che la ritenzione aumenta con l'età. UN

l'analisi della mediazione ha successivamente confermato che, poiché il GABA diminuisce con l'età, l'adattamentomemoriaaumenta, e il primo spiega il secondo. Per dimostrare la causalità, siamo intervenuti sperimentalmente con la stimolazione eccitatoria anodica transcranica a corrente continua (a-tDCS) - per cercare di abbassare ulteriormente il GABA M1 (Antonenko et al., 2017; Kim et al., 2014; Stagg et al., 2009) e quindi aumentare ulteriormente l'adattamentomemoria. In media, la stimolazione non è aumentatamemoriain questa fascia di età. Piuttosto, un'analisi di moderazione ha mostrato come è cambiata la stimolazionememoriadipendeva dalla corticale motoria degli individui E:I. La stimolazione ha aumentato la ritenzione negli individui con E:I basso, ma ha ridotto la ritenzione negli individui con E:I alto.

In sintesi, abbiamo identificato un dominio specifico della plasticità funzionale motoria che migliora con l'età, come conseguenza naturale del declino inibitorio corticale motorio. Questa funzione di memoria può essere ulteriormente potenziata dalla neurostimolazione, ma solo negli individui meno colpiti dalla disregolazione legata all'età della corticale motoria E:I. Questi risultati mettono in discussione la visione prevalente dell'invecchiamento come un inevitabile declino funzionale. Mentre l'apprendimento di nuove abilità motorie può diminuire, la capacità di mantenere l'adattamento delle abilità esistenti migliora naturalmente con l'età. Quell'adattamentomemoriaaumenta naturalmente con l'età indica che potrebbe avere un potenziale non sfruttato come obiettivo per strategie di allenamento che mirano a preservare, migliorare o ripristinare la funzione motoria nell'invecchiamento sano o patologico (ad es. terapia prismatica per la riabilitazione visuospaziale negligenza; O'Shea et al., 2017; Rossetti et al., 1998).

2. Materiali e metodi

2.1. Partecipanti

Trentadue uomini destrimani di età compresa tra 49 e 81 anni (età media: 67,5 anni, sd: 8,1) hanno partecipato a questo studio. Tutti sono stati sottoposti a screening per escludere qualsiasi storia personale o familiare di disturbi neurologici o psichiatrici. Nell'esperimento 2, la dimensione del campione è stata determinata sulla base di un'analisi di potenza comparabile informata dalla dimensione dell'effetto di stimolazione riportata nel nostro lavoro precedente (O'Shea et al., 2017). In quello studio, l'a-tDCS sinistra di M1 ha migliorato la ritenzione a lungo termine fino a quattro giorni dopo l'adattamento, con una dimensione dell'effetto di=0,73. La dimensione minima del campione richiesta per rilevare un effetto di=0.73 con una probabilità di un errore di tipo I=0.05 e la potenza (1 − )=0.80 era {{24} }} (basato su una differenza a una coda di due mezzi dipendenti). Per consentire potenziali abbandoni, sono stati reclutati ventisei partecipanti. Un partecipante è stato perso al follow-up della ritenzione e quindi non è stato incluso nel campione finale di=25.

2.2. Protocollo di adattamento del prisma

In entrambi gli esperimenti, la PA è stata eseguita utilizzando un apparato automatizzato appositamente costruito (Fig. S1a). I partecipanti si sono seduti con la testa fissata su una mentoniera, visualizzando un touchscreen orizzontale da 32- pollici attraverso un otturatore con display a cristalli liquidi (LCD) (film Dispersion, Liquid Crystal Technologies, Ohio, USA). Il touchscreen è stato utilizzato per presentare gli obiettivi visivi e registrare i punti finali di portata, e l'otturatore LCD è stato utilizzato per controllare il feedback visivo dello schermo e dell'arto. Un bottone era attaccato al palo della mentoniera e serviva come posizione di partenza per tutti i movimenti di puntamento. Ai partecipanti è stato chiesto di tenere sempre premuto il pulsante e di rilasciarlo solo quando si avviava un movimento di avvicinamento verso un bersaglio. Solo nelle prove con effetto post-effetto (AE), il rilascio del pulsante ha attivato l'opacità dell'otturatore LCD, occludendo così il feedback visivo dell'accuratezza dell'endpoint. Inoltre, un otturatore fisso impediva ai partecipanti di vedere il proprio arto nella posizione di partenza e durante il primo terzo della traiettoria di raggiungimento. Ai partecipanti è stato chiesto di non far scorrere il dito sulla superficie del touchscreen, ma di toccare invece lo schermo solo alla fine del movimento di avvicinamento. Gli errori di puntamento sono stati calcolati come l'angolo formato tra una linea retta che unisce la posizione di partenza e il bersaglio e una linea retta che unisce la posizione di partenza e la posizione di atterraggio registrata. Per convenzione, gli errori nella direzione dello spostamento prismatico (verso destra/in senso orario) sono stati codificati come positivi, mentre gli errori nella direzione opposta (verso sinistra/in senso antiorario) sono stati codificati come negativi. L'attività è stata programmata in MATLAB versione 2014b (MathWorks; https://uk.mathworks.com) utilizzando Psychtoolbox (Kleiner et al., 2007) versione 3, eseguito su un laptop MacBook Pro. In ogni prova, una registrazione vocale audio istruiva i partecipanti a raggiungere e puntare con il dito indice destro il bersaglio presentato sul touch-screen. Il bersaglio può essere posizionato al centro dello schermo (prove ad anello aperto) oa 10 cm a sinistra oa destra (prove ad anello chiuso). La distanza tra gli occhi dei partecipanti e il bersaglio centrale era di 57 cm.

Durante PA i partecipanti hanno alternato due tipi di blocco attività: puntamento ad anello chiuso (CLP) e puntamento ad anello aperto (OLP). Nelle prove a circuito chiuso, i partecipanti hanno indossato 10◦ occhiali con prisma che si sposta a destra (occhiali da ghiacciaio: Julbo, Longchaumois, Francia; lenti: OptiquePeter, Lione, Francia) e sono stati istruiti a compiere movimenti rapidi (durata media del movimento: 452 ms, sd : 119 ms) al bersaglio sinistro o destro in un ordine pseudo-casuale. I partecipanti sono stati addestrati a mantenere il dito nella posizione di atterraggio e correggere i loro movimenti nella prova successiva, se necessario. Per limitare gli aggiustamenti strategici e la correzione degli errori "in volo" (Redding e Wallace, 1996; 2001) feedback visivo di falsi) durante i test comportamentali. Ciò è stato ottenuto utilizzando codici accecanti ("modalità di studio" dello stimolatore) forniti da un ricercatore che non era coinvolto nei test comportamentali. Lo sblocco si è verificato nella fase di analisi statistica, una volta completata la raccolta dei dati.

Nell'Esperimento 2, i partecipanti hanno eseguito due sessioni PA più tDCS (anodal/sham, ordine controbilanciato), ciascuna separata da un minimo di una settimana (intervallo medio: 10 giorni, sd: 6 giorni). Questo intervallo è stato scelto per consentire sia l'effetto della MDD sull'eccitabilità corticale (Nitsche et al., 2003; Nitsche e Paulus, 2000) sia l'effetto di sbiadimento dell'AE (O'Shea et al., 2017), per garantire un ritorno comportamento di puntamento della linea di base ed eccitabilità corticale all'inizio dell'altra sessione sperimentale. La logica per stimolare durante PA – al contrario di prima o dopo – era di interagire il primo terzo di ogni movimento di raggiungimento era occluso con l'otturatore fisso, come nel lavoro precedente (Inoue et al., 2015; O'Shea et al., 2017; 2014). Alla fine di ogni prova, il feedback visivo della posizione di atterraggio è durato per 500 ms dopo la registrazione del tocco. Trascorso questo tempo, l'otturatore LCD è diventato opaco ei partecipanti hanno dovuto tornare alla posizione iniziale (cioè premere e tenere premuto il pulsante) senza un feedback visivo della loro mano. Questa procedura limitava l'esposizione del prisma al movimento di avvicinamento rispetto al movimento di ritorno. Nelle prove ad anello aperto, i prismi sono stati rimossi e ai partecipanti è stato chiesto di puntare verso il bersaglio centrale. La precisione è stata enfatizzata rispetto alla velocità (durata media del movimento: 799 ms, sd: 135 ms). Il feedback visivo è stato presentato in ogni prova dall'otturatore LCD che diventa opaco all'inizio del raggiungimento, occludendo così la visione del target, l'errore di raggiungimento e punto finale e il movimento di ritorno. Ciò ha consentito di misurare l'AE a sinistra senza che i partecipanti si disadattassero attivamente in risposta al feedback di errore visivo.

In entrambi gli esperimenti, ogni sessione PA ha misurato l'accuratezza del puntamento durante la linea di base, l'adattamento, la ritenzione a breve termine (10-minuti) e la ritenzione a lungo termine (24-ore; Fig. S1). La precisione di puntamento di base ad anello chiuso e ad anello aperto è stata misurata rispettivamente in due blocchi di 20 e 30 prove. Adattamento composto da coppie alternate di blocchi di puntamento ad anello chiuso e ad anello aperto, sei nell'Esperimento 1 e sette nell'Esperimento 2 (Fig. S1). La ritenzione dell'AE è stata misurata 10-minuti e 24-ore dopo la fine dell'AP, per mezzo di un singolo blocco di 45 prove ad anello aperto. Nell'Esperimento 2, 10-la ritenzione di minuti è stata seguita da una fase di washout in cui i partecipanti hanno indicato senza indossare prismi, hanno osservato i loro errori verso sinistra e quindi si sono disadattati. Il lavaggio consisteva in 40 prove ad anello chiuso e 45 prove ad anello aperto distribuite su sei blocchi interfogliati (Fig. S1b). Lo scopo del washout era duplice. In primo luogo, ci ha permesso di indagare se, nella condizione fittizia, l'età avanzata fosse associata a un mancato disadattamento che potrebbe spiegare un AE più forte in un momento successivo (vedi Risultati supplementari). In secondo luogo, abbiamo ragionato che, sememoriala formazione è stata rafforzata dalla stimolazione durante la PA, quindi è stato più probabile che il washout interferisse con la ritenzione a lungo termine nella condizione fittizia rispetto alla condizione anodica, il che potrebbe aumentare la sensibilità per rilevare l'effetto della stimolazione a 24-ore.

2.3. Stimolazione transcranica in corrente continua

Nell'esperimento 2, tDCS è stato erogato da uno stimolatore CC a batteria (Neuroconn GmbH, Ilmenau, Germania) collegato a due elettrodi in spugna da 7 × 5 cm imbevuti in una soluzione salina 0,9 percento. L'elettrodo anodico era centrato su C3 (5 cm lateralmente a Cz) corrispondente alla corteccia motoria primaria sinistra secondo il sistema internazionale di elettrodi 10-20 (Herwig et al., 2003). Il catodo è stato posizionato sopra la cresta sopraorbitale destra. Durante la tDCS anodica, la stimolazione è stata applicata a 1 mA per 20 minuti, durante l'intera fase di adattamento, come nel nostro lavoro precedente (O'Shea et al., 2017). L'impedenza è stata monitorata online e mantenuta sotto i 10 kOhm in ogni momento durante la stimolazione. La corrente è aumentata e diminuita in un periodo di 10 s all'inizio e all'offset della stimolazione. Durante la sham tDCS, la procedura era identica tranne per il fatto che non è stata erogata alcuna stimolazione durante i 20 minuti. Invece, piccoli impulsi di corrente (110 A su 15 ms) si verificavano ogni 550 ms per simulare le sensazioni di formicolio transitorie associate alla stimolazione reale. Sia gli sperimentatori che i partecipanti erano accecati dalla condizione di stimolazione (anodale o conmemoriaprocessi di formazione che si verificano durante l'esposizione al cambiamento visivo, che è noto per essere correlato alla ritenzione a lungo termine (Inoue et al., 2015; Joiner e Smith, 2008; Kording et al., 2007; Smith et al., 2006). Abbiamo mostrato in precedenza che M1 a-tDCS applicato prima, al contrario di durante, PA non ha avuto alcun effetto sull'adattamentomemoria, dimostrando l'importanza dell'interazione tra neurostimolazione e stato cognitivo concomitante (O'Shea et al., 2017).

2.4. Protocollo di acquisizione MRS

I dati MRS sono stati acquisiti presso l'Oxford Center for Clinical Magnetic Resonance Research (OCMR, Università di Oxford), su uno scanner MR a corpo intero Siemens Trio {{0}}} e utilizzando una bobina a canale 32- . Immagini RM strutturali pesate T1- ad alta risoluzione (MPRAGE; sezioni assiali da 224 × 1 mm; TR/TE=3000/4,71 ms; angolo di ribaltamento=8◦; FOV=256; dimensione del voxel=1 mm isotropico; tempo di scansione=528 secondi) sono stati acquisiti per il posizionamento e la registrazione dei voxel MRS. I dati MRS sono stati acquisiti da due volumi di interesse (VOI; dimensione voxel=2 × 2 × 2 cm3) in due acquisizioni consecutive. Il primo VOI era centrato sulla manopola sinistra del motore (Yousry et al., 1997) e comprendeva parti del giro pre e post-centrale (Fig. S2c). Il secondo VOI (controllo anatomico) era centrato bilateralmente sul solco calcarino nel lobo occipitale (corteccia visiva) (Engel et al., 1997; Ip et al., 2017; Lunghi et al., 2015) (Fig. S2c ). Questa regione di controllo è stata scelta perché, a nostra conoscenza, non è stata implicata nello sviluppo e/o nella ritenzione di AE prismatici (per la revisione, vedere: Panico et al., 2020; Petitet et al., 2017). Lo spessoramento B0 è stato eseguito utilizzando un GRESHAM (fette assiali da 64 × 4,2 mm, TR=862,56 ms, TE1/{35}},80/9,60 ms, angolo di ribaltamento=12◦ , FOV {{ 40}}, durata della scansione=63 secondi). I dati della spettroscopia RM (spettri) sono stati acquisiti utilizzando una localizzazione semi-adiabatica mediante sequenza di rifocalizzazione selettiva adiabatica (semi-LASER) (TR/TE=4000/28 ms, 64 medie di scansione, tempo di scansione=264 secondi) con impulsi a radiofrequenza a potenza variabile con ritardi di rilassamento ottimizzati (VAPOR), soppressione dell'acqua e saturazione del volume esterno (Deelchand et al., 2015; Öz e Tkáč, 2011). Inoltre, dagli stessi VOI sono stati acquisiti spettri d'acqua non soppressi per rimuovere gli effetti residui di correnti parassite e per ricostruire gli spettri phased array (Natt et al., 2005). Le acquisizioni single-shot sono state salvate separatamente (modalità di acquisizione single-shot), quindi la frequenza e la correzione di fase prima di calcolare la media su 64 scansioni.

2.5. Analisi dei dati MRS

I metaboliti sono stati quantificati utilizzando LCModel (Provencher, 2012; 1993; 2001) eseguito su tutti gli spettri nell'intervallo di spostamento chimico da 0,5 a 4,2 ppm. Gli spettri del modello sono stati generati sulla base di spostamenti chimici e costanti di accoppiamento precedentemente riportati da Vespa Project (stimolazione versatile, impulsi e analisi). Il segnale dell'acqua non soppresso acquisito dal volume di interesse è stato utilizzato per rimuovere gli effetti delle correnti parassite e per ricostruire gli spettri phased array (Natt et al., 2005). Gli spettri a scansione singola sono stati corretti per la frequenza e le variazioni di fase indotte dal movimento del soggetto prima della somma. Il glutammico (Glx) è stato utilizzato nel presente studio a causa dell'incapacità di distinguere tra glutammato e glutammina utilizzando uno scanner MRI 3T. Per evitare di influenzare il campione verso stime di concentrazione elevata, è stato calcolato il limite inferiore Cramér-Rao (CRLB) relativo atteso per ogni singolo set di dati data la stima della concentrazione e assumendo un livello di rumore costante in tutte le misurazioni (vedere Informazioni supplementari per metodi dettagliati). I set di dati per i quali il residuo di Pearson tra il CRLB relativo atteso e osservato ha superato 2 sono stati esclusi dall'analisi successiva. Utilizzando questo criterio di filtraggio della qualità per acido -aminobutirrico (etichettato GABA), Glutamix (glutammina più Gutamate, etichettato Glx) e creatina totale (creatina più fosfocreatina, etichettato TCR), quattro set di dati MRS V1 sono stati scartati e nessun set di dati M1 MRS è stato scartato.

La correzione tissutale è un passaggio importante nell'analisi dei dati MRS, specialmente negli anziani a causa dell'atrofia cerebrale, che è stata proposta per corrispondere all'opzione predefinita della funzione "tab_modello" del pacchetto sjPlot in R (Lüdecke , 2021). Abbiamo confrontato direttamente i parametri del modello LMM per stabilire la specificità neuroanatomica e neurochimica. I parametri del modello sono stati confrontati utilizzando un test di ipotesi lineare generale utilizzando il pacchetto multi-comp in R (Hothorn et al., 2008). Ai fini della visualizzazione, le Figg. 1b, 3 e 6b mostrano i dati della media del blocco come misure di ritenzione, ma le analisi statistiche sono state eseguite su dati di prove individuali con intercettazioni casuali e pendenze. Le misure della dimensione dell'effetto sono

riportato per tutte le analisi sostanziali, utilizzando il pacchetto effectsize (Ben-Shachar et al., 2020) in R. Cohen d è stato utilizzato per calcolare le dimensioni degli effetti per un test t di un campione contro zero per la ritenzione a breve e lungo termine in Ex-per tenere conto, almeno in parte, del declino correlato all'età frequentemente osservato nei livelli di GABA misurati con MRS (Maes et al., 2018; Porges et al., 2017b). LCmodel emette concentrazioni di metaboliti per un intero volume di interesse. Quindi, se la frazione di tessuto neurale all'interno di un volume di interesse è bassa, a causa dell'atrofia legata all'età (Good et al., 2001), anche le stime della concentrazione di metaboliti saranno necessariamente inferiori. Diverse tecniche di correzione dei tessuti sono state proposte per tenere conto di questo potenziale confuso, attualmente senza consenso in letteratura (Harris et al., 2015; Maes et al., 2018; Porges et al., 2017b). La maggior parte di queste tecniche formula ipotesi sulla distribuzione del metabolita di interesse all'interno dei diversi compartimenti tissutali. Tuttavia, tali ipotesi potrebbero non essere valide per tutta la durata della vita, poiché il normale processo di invecchiamento può influenzare alcuni compartimenti più di altri. Pertanto, tutte le analisi riportate in questo documento hanno utilizzato stime di concentrazione non corrette per i tessuti e hanno invece incluso la percentuale di sostanza grigia (GM) e sostanza bianca (WM) nel voxel MRS come variabili confondenti di nessun interesse (come in Scholl et al., 2017). Poiché questo approccio di correzione del volume parziale non fa supposizioni sulla distribuzione di GABA e Glx all'interno dei diversi tipi di tessuto, è particolarmente adatto per il presente studio (in cui i partecipanti avevano un'età compresa tra 49 e 81 anni), e quindi controlla l'atrofia pur rimanendo agnostico sugli impatti differenziali dell'invecchiamento sui tipi di tessuto. Le percentuali di sostanza grigia, sostanza bianca e liquido cerebrospinale presenti nei VOI sono state calcolate utilizzando lo strumento di segmentazione automatizzata di FMRIB (Zhang et al., 2001). Sono riportati insieme alle metriche della qualità dei dati MRS nella tabella S2.

Negli individui, la stima della concentrazione di creatina totale (TCR) era correlata negativamente con l'età nel voxel M1 ( (21)=−0.46,=0.04 ) sebbene non nel voxel V1 ( (17)=-0,06,=0.81; Fig. S2b). A causa di questa confusione con l'età, il TCR non può essere utilizzato come riferimento interno valido per le stime dei metaboliti. Quindi, durante questo lavoro, abbiamo utilizzato stime di concentrazione assoluta per GABA e Glx, piuttosto che esprimere i dati come rapporti di TCR.

2.6. analisi statistica

Le analisi statistiche del comportamento sono state eseguite in R (R Core Team, 2017). Per controllare le differenze interindividuali nell'accuratezza del puntamento pre-adattamento, in tutti gli studi i dati sull'errore dell'endpoint sono stati normalizzati sottraendo l'errore di puntamento medio alla linea di base (tra i target sinistro/destro per i blocchi ad anello chiuso; target intermedio per i blocchi ad anello aperto ). Salvo diversa indicazione, tutti i test statistici erano a due code. Le analisi sono state eseguite utilizzando la regressione lineare e includevano la verifica delle seguenti ipotesi: 1) linearità, 2) omogeneità della varianza e 3) normalità dei residui. Queste ipotesi sono state esaminate visivamente utilizzando grafici dei residui rispetto ai valori osservati (linearità), valori fittati rispetto ai residui (omogeneità della varianza) e distribuzione dei residui (normalità dei residui). I modelli lineari a effetti misti (LMM) sono stati utilizzati per le analisi con una componente di misure longitudinali/ripetute (ad es. adattamento, ritenzione) includendo intercettazioni e pendenze come effetti casuali partecipanti. Questo approccio presenta due vantaggi rispetto all'analisi della varianza a misure ripetute (ANOVA): ci ha permesso di 1) considerare anche le dinamiche comportamentali all'interno del blocco, invece di bloccare solo gli errori medi, e 2) dissociare fonti casuali di variabilità interindividuale da quelli significativi. Tutte le specifiche del modello sono riportate nelle Tabelle Supplementari. I valori P sono stati stimati utilizzando il test di Wald, che sperimenta 1, e per i test t di campioni appaiati di sham rispetto alla stimolazione anodica sulla ritenzione a breve e lungo termine nell'esperimento 2. Approssimato parziale eta-quadrato () per lineare misto- effettua le analisi di regressione per riassumere la proporzione di varianza associata a un particolare effetto fisso. Sono state proposte regole pratiche per interpretare le dimensioni degli effetti. Queste norme per la d di Cohen sono: piccolo=[0.2{{30}}; 0.49]; medio=[0.5; 0.79]; grande Maggiore o uguale a 0.8. Le norme per sono: piccolo=[0.01; 0,05]; medio=[0,06; 0,13]; grande Maggiore o uguale a 0,14 (Cohen, 2013).

Nell'esperimento 2, l'accuratezza media OLP e CLP di base è stata analizzata in due modi. In primo luogo, per verificare l'assenza di un effetto ordine (sessione PA 1 vs. sessione PA 2; utilizzando t-test a coppie). In secondo luogo, per verificare l'assenza di un effetto di una condizione di stimolazione (sessione tDCS anodica vs. sessione tDCS fittizia; utilizzando t-test a coppie sugli stessi dati riordinati dalla condizione di neurostimolazione). La prima analisi ha assicurato che l'intervallo di washout di una settimana fosse efficace (cioè gli effetti comportamentali della sessione 1 si erano dissipati con l'inizio della sessione 2), e la seconda ha assicurato che le differenze nelle prestazioni tra le condizioni anodica e sham tDCS potessero essere attribuite a un effetto di neurostimolazione rispetto alle differenze sistematiche casuali già presenti al basale. Per quantificare l'evidenza statistica a favore dell'assenza di differenza (ovvero ciò che ci si proponeva di ottenere), è stato calcolato un fattore di Bayes (01) per queste analisi di controllo della qualità. A 01 > 3 è stata considerata una prova sostanziale dell'assenza di differenza, coerente con un appropriato washout tra le due sessioni sperimentali.

Poiché il GABA è sintetizzato dal glutammato, le concentrazioni di questi due neurotrasmettitori sono tipicamente correlate positivamente nel cervello (Jocham et al. (2012); Stagg et al. (2011a); nel nostro set di dati, M1 GABA × M1 Glx: (20)=0.34,=0. 13; GABA V1 × V1 Glx: (14)=0. 16,=0.55). Pertanto, quando si analizza la relazione tra la concentrazione assoluta in GABA o Glx all'interno di un voxel e il risultato, è stata inclusa nel modello anche la concentrazione dell'altro neurotrasmettitore (GABA o Glx). Inoltre, le concentrazioni di sostanza grigia e bianca sono state incluse anche come covariate di nessun interesse in tutti i modelli che includevano dati neurochimici.

Un'analisi di mediazione è stata utilizzata per caratterizzare i collegamenti "meccanici" alla base delle correlazioni osservate tra età, neurochimica e ritenzione. Ciò è stato eseguito utilizzando la mediazione del pacchetto R per l'analisi della mediazione causale (Imai et al., 2010). La mediazione è stata condotta utilizzando la regressione con bootstrap non parametrico (10,{2}} ricampionamenti) per accertare se il tono inibitorio M1 spiegasse il legame tra età e ritenzione a lungo termine. Il modello includeva: età come variabile indipendente (X); concentrazioni assolute di M1 GABA e Glx come mediatori (M1, M2); ritenzione media del blocco a 24-ore come variabile dipendente (Y) (errore medio del blocco normalizzato dalla linea di base per ciascun individuo) e controllo per la frazione di GM e WM nel voxel M1 (C1, C2). La mediazione percentuale () è stata calcolata come la frazione dell'effetto totale (c) rappresentato dagli effetti indiretti (ab1 o ab2).