Transcranial random noise stimulation and perceptual learning as tools for investigating and promoting neural plasticity in vision

Transcranial random noise stimulation (tRNS) is a recent neuro-modulation technique whose effects at both behavioural and neural level are still debated. In the first experiment the well-known phenomenon of motion aftereffect (MAE) was exploited in order to investigate the effects of high- versus low-frequency tRNS on motion adaptation and recovery. 36 Participants were asked to evaluate the MAE duration following the exposure of a circular rotating and expanding grating for 30 seconds, while being stimulated with either Sham or tRNS across different blocks. Different groups were administered with either high- or low-frequency tRNS. Stimulation sites were bilateral V5/MT, early visual areas or frontal areas. Results demonstrated that, whereas no effects on MAE duration were produced by stimulation of early visual areas or frontal areas, high-frequency tRNS over area V5/MT caused a significant decrease in MAE duration whereas low-frequency tRNS (over the same area) caused a significant corresponding increase in MAE duration. These data indicate that high- versus low-frequency tRNS has opposite effects on the unbalance, created by adaptation, between neurons tuned to opposite motion directions, and thus on neuronal excitability. Following repeated practice on a visual task, perceptual learning (PL) produces a long lasting improvement of visual functions such as an increase of visual acuity (VA) and contrast sensitivity (CS) both in participants with amblyopia and refractive defects. This improvement has been observed with contrast detection tasks in the presence of lateral masking (contrast detection of a central Gabor stimulus flanked by two high contrast Gabors), known to bring about an increase of lateral interactions between detectors in early cortical pathways. Improvement has also been revealed in the absence of flankers in healthy individuals and those with amblyopia. In the second experiment, a single Gabor PL regime (in the absence of lateral masking) was investigated in a group of participants with mild myopia. This study seeks to understand whether a perceptual training regime really needs to be based on lateral interactions in cases where poor vision is not due to cortical dysfunctions, such as in myopia. 10 participants with mild myopia (max -2D) were recruited. The participants carried out an 8-week behavioural training using a single Gabor PL paradigm, completing a total of 24 sessions. Results indicate that training using a single Gabor protocol results in a VA improvement of 0.16 logMAR. The present study supports the idea that, in the absence of cortical deficits, such as in myopia, some sort of compensatory mechanism can take place at the cortical level by means of PL, resulting in more effective processing of the received blurred input. However, with respect to training based on lateral masking, here we found that improvement of visual functions was smaller and limited to VA. This might suggest that trainings based on lateral masking, able to modify the strength of facilitatory and inhibitory lateral interactions, could be more effective for an optimal recovery of blurred vision. It has recently been suggested how PL can be boosted by concurrent high-frequency tRNS (hf-tRNS). It has also been shown how PL can generalize and produce an improvement of visual functions in participants with mild refractive defects. By using three different groups of participants, with 10 participants in each group (single-blind study), the third experiment tested the efficacy of a short (8 sessions) single Gabor contrast-detection training with concurrent hf-tRNS in comparison with the same training combined with Sham stimulation or hf-tRNS with no concurrent training, in improving VA and CS of individuals with uncorrected mild myopia. Results show that a short training with a contrast detection task is able to improve VA and CS only if coupled with hf-tRNS, whereas no effect on VA and marginal effects on CS are seen with the sole administration of hf-tRNS. The results support the idea that, by boosting the rate of PL via the modulation of neuronal plasticity, hf-tRNS can be successfully used to reduce the duration of perceptual trainings while, at the same time, increasing their efficacy in producing PL and generalization to improved VA and CS in individuals with uncorrected mild myopia. A final experiment extended the aforementioned results onto patients with a cortical visual deficit. Amblyopia is a visual disorder due to an abnormal pattern of functional connectivity of the visual cortex and characterized by several visual deficits of spatial vision including impairments of VA and of the contrast sensitivity function (CSF). Despite being a developmental disorder caused by reduced visual stimulation during early life (critical period), several studies have shown that extensive visual perceptual training can improve VA and CS in people with amblyopia even in adulthood. In this study, a much shorter perceptual training regime was assessed with respect to the standard PL trainings, in association with hf-tRNS in comparison to the perceptual training combined with Sham stimulation, whether it was able to improve visual functions in a group of adult participants with amblyopia. Results demonstrated that, in comparison with previous studies where a large number sessions with a similar training regime were used, here just eight sessions of training in contrast detection under lateral masking conditions combined with hf-tRNS, were able to substantially improve VA and CS in adults with amblyopia. In conclusion, this thesis investigates the use and efficacy of tRNS with and without PL on visual cortical excitability and plasticity, in the context of visual functioning.

La stimolazione transcranica a rumore casuale (transcranial random noise stimulation - tRNS) è una tecnica neuromodulatoria recente i cui effetti a livello comportamentale e neurale sono ancora dibattuti. Con il primo esperimento è stato utilizzato l’effetto postumo di movimento, denominato altresì motion aftereffect (MAE), per indagare gli effetti della tRNS ad alta e a bassa frequenza sull’adattamento al movimento e sul suo recupero. A trentasei partecipanti è stato chiesto di valutare la durata del MAE evocato dalla visione di un reticolo con movimento di rotazione ed espansione per 20 secondi, contemporaneamente alla tRNS o ad una stimolazione fittizia (Sham), somministrate in diversi blocchi. A gruppi di partecipanti diversi è stata somministrata la tRNS ad alta o a bassa frequenza. I siti di stimolazione potevano essere l’area V5/MT bilateralmente, le cortecce visive precoci o le aree frontali. I risultati hanno mostrato che, mentre non è stata trovata nessuna variazione con la stimolazione delle aree visive precoci o delle aree frontali, la tRNS ad alta frequenza sull’area V5/MT ha determinato una riduzione significativa della durata del MAE mentre la tRNS a bassa frequenza (sulla stessa area V5/MT) ha provocato un corrispondente incremento della durata del MAE. Questi dati indicano che la tRNS ad alta e a bassa frequenza hanno effetti opposti sullo squilibrio, creato dall’adattamento, tra neuroni che rispondono a direzioni di movimento opposte, e quindi effetti opposti sull’eccitabilità neuronale. Questi dati indicano che la tRNS ad alta e a bassa frequenza ha effetti opposti sullo squilibrio, creato dall’adattamento, tra neuroni che rispondono a direzioni di movimento opposte, e quindi effetti opposti sull’eccitabilità neuronale. Attraverso un training ripetuto con un determinato compito visivo, l’apprendimento percettivo (perceptual learning – PL) produce un miglioramento duraturo di funzioni visive quali un incremento dell’acuità visiva (AV) e della sensibilità al contrasto (SC) in partecipanti con ambliopia o con difetti refrattivi. Tale miglioramento è stato osservato attraverso l’utilizzo di un training di detezione di contrasto in presenza di flankers (mascheramento laterale), che permette di ottenere un potenziamento delle interazioni laterali tra detettori ai primi livelli di elaborazione visiva corticale. Un simile miglioramento è stato osservato anche in assenza di flankers, sia in partecipanti sani che in partecipanti con ambliopia. Nel secondo studio è stato investigato l’effetto di un training con Gabor singoli (in assenza quindi di mascheramento laterale) in un gruppo di partecipanti con miopia lieve. Con questo studio si è cercato di capire se, per ottenere un miglioramento delle funzioni visive, un training percettivo debba essere necessariamente basato sulle interazioni laterali nel caso in cui una visione sfocata sia dovuta a una disfunzione non corticale come la miopia. 10 partecipanti con miopia lieve (sino a -2D) hanno partecipato ad un training comportamentale di 8 settimane (per un totale di 24 sessioni) utilizzando un compito di detezione di contrasto di Gabor singoli. I risultati mostrano un miglioramento in AV, in assenza di correzione ottica, di 0.16 LogMAR, suggerendo che, pur in assenza di deficit corticali, un meccanismo di compensazione possa aver luogo a livello corticale attraverso il PL, ottenendo perciò un’elaborazione più efficace dall’immagine sfocata in ingresso. Tuttavia, rispetto al training basato sul mascheramento laterale, in questo studio abbiamo trovato un miglioramento delle funzioni visive più contenuto e limitato alla AV. Questo può suggerire come il training basato sul mascheramento laterale, capace di modificare la forza delle interazioni laterali facilitatorie e inibitorie, possa essere più efficace per un recupero ottimale della visione sfocata. E’ stato suggerito di recente come il PL possa essere potenziato dalla contemporanea somministrazione di tRNS ad alta frequenza. D’altro canto, è stato anche mostrato come il PL possa generalizzare e causare un miglioramento delle funzioni visive in partecipanti con difetti refrattivi lievi. Utilizzando tre diversi gruppi di partecipanti con 10 partecipanti per gruppo (disegno sperimentale in cieco), con il terzo esperimento si è voluto testare l’efficacia di un breve (8 sessioni) training di detezione di contrasto con Gabor singoli, con contemporanea somministrazione di tRNS ad alta frequenza, confrontata con lo stesso training con contemporanea somministrazione di stimolazione fittizia (Sham), e con tRNS ad alta frequenza in assenza di training comportamentale, nel miglioramento di AV e SC di partecipanti con miopia lieve non corretta. I risultati mostrano che un breve training di detezione di contrasto è in grado di migliorare AV e SC solo se unito a contemporanea tRNS ad alta frequenza, mentre nessun sostanziale miglioramento è stato osservato con la sola somministrazione della tRNS. Questi risultati supportano l’idea che, potenziando la velocità del PL attraverso la modulazione della plasticità neurale, la tRNS ad alta frequenza può essere utilizzata con successo per ridurre la durata dei training percettivi, aumentando allo stesso tempo l’efficacia nel produrre PL e generalizzazione (miglioramento di AV e SC) in individui con miopia lieve non corretta. Un ultimo esperimento ha permesso di estendere i summenzionati risultati su pazienti con deficit visivo di natura corticale. L’ambliopia è un disturbo visivo dovuto ad un pattern di connettività funzionale abnormale della corteccia visiva, caratterizzato da diversi deficit in visione spaziale tra cui in AV e in SC. Pur essendo un disturbo dello sviluppo causato da stimolazione visiva ridotta o alterata durante l’infanzia (periodo critico), diversi studi hanno mostrato come training percettivi visivi possano migliorare AV e SC in individui con ambliopia anche in età adulta. In questo studio, è stata valutata l’efficacia di un training percettivo molto più breve rispetto alle durate standard (associato alla tRNS ad alta frequenza rispetto allo stesso training unito a stimolazione Sham), nel miglioramento delle funzioni visive di un gruppo di partecipanti adulti con ambliopia. I risultati hanno mostrato che 8 sessioni di training di detezione di contrasto con mascheramento laterale, unito a tRNS ad alta frequenza, permettono un sostanziale miglioramento di AV e SC in partecipanti adulti con amblyopia. In conclusione, in questo elaborato si è voluto testare l’efficacia della tRNS con e senza PL sull’eccitabilità e la plasticità della corteccia visiva, nel contesto dei meccanismi delle funzioni visive.