On the effects of transcranial alternating stimulation (tACS) on neuronal dynamics and cognition.

A few minutes at a busy square in London allow one to appreciate the wide array of actions that humans are capable of expressing— walking, reading a book, tapping touch screen of smartphone, eating, shaking hands and crossing the street. Response inhibition is an essential mechanism of action control and is one of the most studied processes. For example, crossing the street when a fast motorcycle is approaching might necessitate inhibition of stepping forward to avoid being hurt. This ability to quickly suppress a response in a dynamic environment has traditionally been associated with conscious control. Crucially, recent experimental evidence has challenged the view that inhibitory control is restricted to conditions where stimuli are accessible to conscious awareness. Such an unconscious and automatic activation of the motor response system does not necessarily require stimuli to be consciously perceived and is deemed essential to act in a constantly changing environment. This has been interpreted as a basic motor process allowing preparatory mechanisms to automatically suppress an activated movement without the need of conscious cognitive processes. Thus, while there may be differences between automatic and voluntary processes, they might not have entirely distinct neural representations. Indeed, automatic control appears to rely on the corticobasal ganglia network that has been associated with voluntary control. Contemporary research has shown that an up-regulation of neural beta oscillations in the cortico-basal ganglia dynamics can be functionally relevant for inhibition of movement. Consequently, beta oscillations have been proposed as an essential mechanism that allows the motor network to communicate in a dynamic and flexible manner. Present research has demonstrated that it is possible to interact with the neuronal activity by non invasive brain stimulation (NIBS) techniques such as transcranial Direct Current Stimulation (tDCS), transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). Specifically, tACS allows delivery of alternating current at different frequencies and it has been used to manipulate ongoing brain oscillations in a controllable way. This concept is still in the very early stages of research, and much needs to be done in order to fully grasp the underlying mechanisms. Building upon these discoveries, the research presented in this thesis aimed to demonstrate a causal role of beta frequency oscillations on unconscious and automatic inhibition adopting tACS over the primary motor cortex and supplementary motor area. Furthermore combining tACS with TMS and EEG allowed me to characterise the underlying basic mechanisms of its action on corticospinal excitability and neuronal dynamics. Overall, this work contributes to our understanding of the human motor system while offering new insights into the combined approach of tACS and EEG in the characterization of a causal role of neuronal oscillatory dynamics on behaviour.

Alcuni minuti in una piazza affollata di Londra permettono di apprezzare l'ampia gamma di azioni che gli esseri umani sono capaci di esprimere— camminare, leggere un libro, toccare lo schermo dello smartphone, mangiare, stringere la mano e attraversare la strada. L'inibizione della risposta è un meccanismo essenziale del controllo motorio dell'azione e rappresenta uno dei processi più studiati. Ad esempio, attraversare la strada quando inavvertitamente si avvicina una motocicletta a grande velocità potrebbe richiedere l'inibizione di mettere i piedi giù per evitare di essere feriti. Questa capacità di sopprimere rapidamente una risposta in un ambiente dinamico è stata tradizionalmente associata al controllo cosciente. In modo cruciale, recenti prove sperimentali hanno sfidato la concezione che il controllo inibitorio è limitato alle condizioni in cui gli stimoli sono accessibili alla consapevolezza cosciente. Tale attivazione inconscia e automatica del sistema motorio non necessariamente richiede che gli stimoli siano consapevolmente percepiti e si ritiene essenziale per agire in un ambiente in costante evoluzione. Questa attivazione è stata interpretata come un processo motorio basale che permette a meccanismi preparatori di sopprimere automaticamente un movimento attivato senza la necessità di processi cognitivi coscienti. Così, sebbene ci siano delle differenze tra i processi automatici e quelli volontari, tali processi potrebbero non avere rappresentazioni neurali completamente distinte. Infatti, il controllo motorio automatico sembra avere come substrato neurale il circuito corticale-ganglio basale che è stato associato al controllo motorio volontario. La ricerca contemporanea ha inoltre dimostrato che l’incremento delle oscillazioni beta nelle dinamiche del sistema corticale-ganglio basale può essere funzionalmente rilevante per l'inibizione del movimento. Di conseguenza, le oscillazioni beta sono state proposte come un meccanismo essenziale che consente al network motorio di comunicare in modo dinamico e flessibile. Nel frattempo, la ricerca attuale ha dimostrato che è possibile interagire con l'attività neuronale mediante tecniche di stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS) come la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS), la stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS). In particolare, tACS consente la diffusione di corrente alternata a diverse frequenze ed è stata utilizzata per manipolare le oscillazioni cerebrali in modo controllabile. Comunque, questo concetto è ancora nelle fasi iniziali della ricerca e molto deve essere fatto per comprendere appieno i meccanismi sottostanti. Basandosi su queste scoperte, la ricerca presentata in questa tesi ha lo scopo di dimostrare un ruolo causale delle oscillazioni neurali beta sull’ inibizione inconscia e automatica, adottando la tACS sulla corteccia motoria primaria e l'area motoria supplementare. Inoltre, la combinazione di tACS con TMS e EEG mi ha permesso di caratterizzare i meccanismi di base della sua azione attraverso la misurazione dell’eccitabilità corticospinale e delle dinamiche oscillatorie neuronali. Nel complesso, questo lavoro contribuisce alla nostra comprensione del sistema motorio umano, offrendo al tempo stesso nuove conoscenze sull'approccio combinato di tACS e EEG nella caratterizzazione di un ruolo causale delle dinamiche oscillatorie neuronali sul comportamento.