Transkraniell växelströmsstimulering (tACS) som prestationshöjande

Sambandet mellan idrottsprestationer och kognitiv funktion har fått stor uppmärksamhet på senare år, och framsteg inom neurovetenskap har möjliggjort en djupare förståelse för detta samband. Många studier har bekräftat att förbättrad kognitiv funktion bidrar till bättre idrottsprestationer.

Idag är hjärnans neuroregleringsteknik en viktig metod för att förbättra kognitiva funktioner Transkraniell elektrisk stimulering (TES) är en teknik för hjärnreglering som använder låga strömmar för att stimulera specifika områden i hjärnan och förbättra kognitiva funktioner. TES inkluderar både transkraniell likströmsstimulering (transcranial Direct Current Stimulation, tDCS) och transkraniell växelströmsstimulering (transcranial Alternating Current Stimulation, tACS). tDCS har uppvisat goda resultat inom träning och rehabilitering. tDCS har visat goda resultat inom träning och rehabilitering, medan tACS kan inducera mer bestående synaptiska förändringar genom frekvensoscillationer och topp-tidsplasticitet, vilket leder till längre varaktighet av effekterna. Dessutom, på grund av dess bipolära strömmar, är tACS förknippat med färre biverkningar och har därför väckt stort intresse.

Tillämpning på idrott och kognition

Kognitiv funktion, som inkluderar arbetsminne, inlärningsförmåga, motoriska beslut och visuospatiala färdigheter, är central för idrottsprestationer. Komplexa idrottsscenarion kräver hög kognitiv inblandning för att hantera förändringar, analysera tekniker och fatta beslut under press. Detta ökar den kognitiva belastningen, inklusive arbetsminne och besluts-fattande. Långvarig kognitiv belastning kan leda till trötthet, vilket påverkar prestation och kan öka risken för skador. Studier har visat att arbetsminne, inlärningsförmåga och motoriska beslut är nära kopplade till idrottsprestationer, Sammanfattningsvis framstår tACS som en lovande teknik för att förbättra kognitiva och motoriska funktioner, men vidare forskning och tydliga riktlinjer är avgörande för att säkerställa dess effektiva och säkra tillämpning inom idrotten.

Arbetsminne och idrottsprestationer

Arbetsminne är grunden för andra högre kognitiva funktioner, och nästan alla kognitiva processer, som motoriskt lärande och beslutsfattande, bygger på arbetsminne. Vid inlärning av motoriska färdigheter bidrar ett starkare arbetsminne och bättre motoriskt lärande till snabbare färdighetsutveckling, högre grad av automatisering och bättre idrottsprestationer. För idrottstävlingar med komplexa scenarier krävs högre nivåer av motoriskt beslutsfattande för att förbättra prestationerna. Framstående idrottare har ofta förmågan att fatta snabba beslut för att anpassa sig till förändringar i tävlingssituationen. Korrekt beslutsfattande minskar felrisker, underlättar effektiv taktisk genomföring och hjälper idrottare att utnyttja sina tekniska och fysiska styrkor för att förbättra sina prestationer och tävlingsresultat. Effekterna av tACS inom kognitionsområdet är dock blandade, vilket understryker behovet av vetenskapligt utformade tillämpningsparadigm för att vägleda användningen av tACS och därigenom förbättra idrottsprestationerna.

Översikt över transkraniell växelströmsstimulering (tACS)

tACS stimulerar hjärnbarken genom att tillföra sinusformade växelströmmar av olika frekven-ser, där spänningen växlar från positiv till negativ varje halv cykel. Strömmen flödar från anod till katod under en halv cykel och i motsatt riktning under nästa halv cykel. Kliniskt används olika frekvenser av ström för att reglera hjärnoscillationer och inducera hjärnans funktioner. Vanliga stimuleringsfrekvenser för tACS är 6,5, 10, 20, 40, 50 och 70 Hz.

Stimuleringslängden är oftast mellan 20 och 30 minuter, och elektrodens yta är vanligtvis 16, 25 eller 35 cm². Strömmens topp-till-topp-intensitet är generellt mellan 0,5 mA och 2 mA

tACS stimulerar hjärnbarken genom sinusformad växelström, och dess verkningsmekanism kan delas in i följande:

exogena oscillationer inducerar endogena oscillationer i hjärnan

inducerar synaptisk plasticitet för att reglera hjärnfunktionen

tACS reglerar endogena hjärnoscillationer på ett frekvensspecifikt sätt genom att tillämpa en specifik frekvens av ström på hjärnbarken och förändrar membranpoten-tialen i dendriter eller axoner på ett oscillerande sätt. Denna oscillation kan interagera med naturliga oscillationer i den avlägsna hjärnbarken, vilket slutligen triggar excitationen av hjärnneuroner

tACS kan sända strömfrekvenser relaterade till kognitiv funktion och därigenom påverka kognitiv förmåga. Att applicera tACS-stimulering något högre eller lägre än den inneboende frekvensen i hjärnregioner kan påskynda eller bromsa de innebo-ende oscillationerna.

Under de senaste åren har tACS fått ökad uppmärksamhet på grund av sina växelströms-karaktäristika och säkerhet. Forskning om tACS har mestadels fokuserat på att främja motoriska färdigheter och kognitiv reglering. Det har dock påpekats att kognitiva funktioner huvudsakligen omfattar uppmärksamhet, arbetsminne, exekutiv förmåga, beslutsfattande och förmåga att hantera flera uppgifter samtidigt. Klinisk forskning visade emellertid att arbetsminne, motorisk inlärning och beslutsfattande är starkt korrelerade med motorisk prestation, vilket är en av förutsättningarna för att påverka motorisk prestation. Kognitiva funktioners komplexitet är hög, och individuella skillnader är betydande. Därför förekommer ofta skillnader i resultat när tACS används för att påverka kognitiv funktion.

Effekter av transkraniell växelströmsstimulering på arbetsminnet

Studien fann att tACS kan förbättra arbetsminnet hos friska individer. Dock är valet av frekvens specifikt. Jämfört med en frekvens på 7 Hz kan en frekvens på 4 Hz bättre förbättra arbetsminnesnivåerna. Anledningen är att effekten av tACS på arbetsminnet sprids längs hjärnnätverket. När den inducerade frekvensen från tACS matchar den endogena rytmen blir synkroniseringseffekten bättre. Theta-oscillation fungerar som en grindmekanism i arbets-minnet och skapar optimala neurala förhållanden för specifik bearbetning. Man har funnit att oscillationsfrekvensen 4 Hz ligger närmare människohjärnans theta-frekvens. Därför har en frekvens på 4 Hz en betydande påverkan på individers arbetsminne.

För närvarande är sambandet mellan gamma-band tACS (transkraniell växelströmsstimu-lering) och hjärnans tillstånd vid stimulering oklart. De flesta forskare anser att effekten av tACS-stimulering på arbetsminne påverkas av hjärnans tillstånd vid stimuleringstillfället. När hjärnan befinner sig i ett tillstånd av hög kognitiv belastning är stimuleringseffekten av gamma-bandet signifikant, men det finns risk för ett “tak-effekt.” Höga krav på arbetsminnet är ofta förknippade med starka fronto-parietala kopplingar, och synkron tACS-stimulering kan förstärka hela hjärnnätverket, vilket därmed förbättrar arbetsminnesnivåer. När arbetsminnet är under hög kognitiv belastning fungerar gamma-tACS bättre, och den huvudsakliga förbättringen är arbetsminnesnoggrannheten.

Påverkan av transkraniell växelströmsstimulering på inlärningsförmåga

tACS kan reglera neural aktivitet genom oscillerande strömmar och förbättra motorisk inlärning. Synkron oscillerande aktivitet vid alfa-frekvenser (8–12 Hz) och beta-frekvenser (13–30 Hz) tros främja neuronal plasticitet och därmed förbättra motorisk inlärningsförmåga.

Man har funnit att tACS-stimulering vid alfa-frekvensen (10 Hz) har en positiv effekt på motorisk sekvensinlärning, men endast när den appliceras på parietalloben. Detta liknar tidigare resultat, som visade att tACS-stimulering vid 10 Hz signifikant främjar implicit motorisk sekvensinlärning. Vidare forskning har visat att tACS-stimulering i beta-bandet (20 Hz) förbättrar inlärningsstabilitet och är mindre känslig för störningar, vilket också stämmer överens med tidigare resultat.

Sammanfattningsvis finns det bevis för att hjärnregionerna som förbättrar motorisk inlärningsförmåga oftast är M1 eller frontala cortex. tACS-stimulering i alfa-, beta- och gamma-band har positiva effekter på motorisk inlärning:

omega-tACS i frontala cortex förbättrar förmågan till regelinlärning men kan samtidigt störa tillämpningen av regler

beta-tACS har den mest stabila effekten på motorisk inlärning

gamma-tACS har en längre varaktighetseffekt på motorisk inlärning, men deltagarnas endogena oscillerande hjärntillstånd kan påverka interventionsresultaten

Påverkan av transkraniell växelströmsstimulering på beslutsförmåga

Man har funnit att tACS-stimulering av frontala hjärnområden kan förbättra förmågan att fatta beslut i idrottsrelaterade sammanhang. Vid omega-tACS-stimulering av vänstra prefrontala cortex minskade deltagarnas risktagande beteende i en studie, vilket kan bero på att deras experimentella paradigm (en speluppgift) undvek impulser relaterade till förlust och aversion.

Beslutsfattandeprocessen involverar flera hjärnregioner, inklusive frontalloben, parietalloben, insula, nucleus caudatus, amygdala och främre cingulum. Frontalloben spelar en avgörande roll i beslutsfattande. Det är visat ett samband mellan prefrontala cortex (PFC) och benägenheten att frivilligt ta större risker. Studien antyder att PFC har en central roll i att reglera den aktiva kontrollen av risktagande beslut. Vidare forskning har funnit att i beslutsfattande sammanhang anses aktivering av höger prefrontal cortex vara kopplad till undvikande beslutsbeteende, medan aktivering av vänster PFC främjar beslutsfattande beteende- Det kan finnas skillnader i individens vilotillstånd i frontalloben, vilket kan påverka en av de viktiga faktorerna för beslutsfattande beteende. Därför bör det första steget vid användning av tACS för intervention vara att genomföra EEG-testning för att utesluta individuella skillnader i vilotillstånd för asymmetri i frontalloben.

Sammanfattningsvis visas att stimulering av vänstra frontalloben med tACS är ett viktigt område för att förbättra beslutsfattandeförmågan, och theta-frekvensbandet är ett viktigt frekvensband för att stimulera aktivering av frontalloben. Dock påverkar även asymmetri i frontalloben och skillnader i vilotillstånd beslutsfattande beteende.

Påverkan av kognitiva funktioner på idrottsprestationer

Arbetsminne är förmågan att tillfälligt lagra, tillägna sig och bearbeta information i hjärnan för att uppnå högre kognitiva funktioner. Det är grunden för lärande och beslutsfattande och alla idrottsfärdigheter och prestationer utvecklas baserat på arbetsminnet. Därför är arbetsminnet avgörande för rörelse. Frontalloben och parietalloben är de huvudsakliga funktionella områ-dena för arbetsminnesuppgifter. Den exekutiva funktionen är relaterad till frontalloben, medan lagringen av arbetsminnet är relaterad till parietalloben. När individer utför komplexa uppgifter är arbetsminnets lagringskapacitet avgörande för uppgiftens genomförande, som vid basket och fotboll; för enklare uppgifter är kontrollen dominerande, som vid höjdhopp och längdhopp.

I tävlingsidrott kan fenomen relaterade till arbetsminnet, såsom choking (kvävning) och stereotype threat, påverka idrottsprestationer. Fenomenet choking förbrukar kognitiva resurser, minskar arbetsminnets kapacitet och försämrar idrottsprestationer. Stereotyper liknar choking, vilket kan få individer att fokusera om på vältränade sensorimotoriska färdigheter, vilket stör deras automatiska utförande och minskar arbetsminnets kapacitet, vilket leder till sämre prestationer. Idrottare med lägre arbetsminneskapacitet är mer benägna att uppleva minskad noggrannhet, dåliga beslut eller choking under stressförhållanden. Arbetsminnet i sig kan fluktuera beroende på situationsstress, vilket kan påverka besluts-fattandets kvalitet och därmed prestationsresultaten. Man har funnit att elitbasketspelare är bättre på att koncentrera sig på beslutsfattande uppgifter medan de ignorerar distraktioner, och de fick högre poäng på tester för arbetsminneskapacitet. Ett annat sätt som arbets-minnet påverkar prestation är genom uppmärksamhetskontroll. Jämfört med spelare med lägre arbetsminneskapacitet är de med högre kapacitet bättre på att fokusera uppmärk-samheten och fatta välgrundade beslut i vardagen.

Genom forskning på ishockeyspelare har man funnit att arbetsminneskapacitet kan förutsäga i vilken grad spelarna justerar sitt beslutsfattande beteende baserat på verkliga scenarier. Forskning har visat att ishockeyspelare med hög arbetsminneskapacitet är kapabla att självständigt justera olämpliga anfallsplaner och följer vanligtvis inte blint förutbestämd taktisk vägledning. Genom regressionsforskning ar man förstått att arbetsminnet kan fungera som en prediktor för volleybollprestation, där högre nivåer av arbetsminnet indikerar bättre volleybollprestation. Individer med mindre arbetsminneskapacitet är mer benägna att uppleva ångest och uppmärksamhetsstörningar i stressiga miljöer, vilket påverkar idrottspresta-tionerna på fältet. Resultaten från denna studie tyder på att arbetsminneskapacitet inte bara kan förutsäga en individs förmåga att kontrollera uppmärksamheten väl, utan även förutsäga idrottare som kan misslyckas under hög stress. Påverkan av arbetsminnet på idrottspresta-tioner återspeglas också i träningsstadiet. Tränare ger ofta specifika instruktioner under träning eller tävling, och vägleder idrottare att komma in i ett förberett tillstånd för träning, vilket hjälper idrottare att minska komplexiteten i beslutsfattandet. Detta tillvägagångssätt förbättrar idrottsprestationer genom att styra deras uppmärksamhet på ett riktat sätt.

Jämfört med projekt med högre nivåer av automatisering, är taktiskt beslutsfattande inom idrott mer beroende av arbetsminnet. Det finns ett positivt samband mellan arbetsminne och prestation hos fotbollsspelare, och en högre nivå av arbetsminne kan förbättra fotbolls-spelarnas prestation. När den kognitiva belastningen är låg, har individer en större förmåga att mobilisera och kontrollera kognitiva resurser, förbättra arbetsminnets effektivitet och skapa möjligheter för idrottare att prestera exceptionellt bra. Å andra sidan kommer det att försvaga arbetsminnets effektivitet och leda till onormala motoriska prestationer. Därför är det fördelaktigt att förbättra arbetsminnesförmågan med tACS för att förbättra idrottsprestationer.

Påverkan av inlärningsförmåga på idrottsprestationer

Inlärningsförmåga är en viktig komponent i kognitiv förmåga och det huvudsakliga sättet att tillägna sig motoriska färdigheter. Inlärningsförmåga hjälper till att konsolidera motoriskt minne, minska den uppmärksamhet som krävs under träning, göra rörelsen mer automatiserad, förbättra rörelsens ekonomi och i idrott manifesterar det sig som förmågan att snabbt tillägna sig motoriska färdigheter och förkorta anpassningscykeln.

Det har hävdats att inlärning och tidig konsolidering av motoriska färdigheter kräver involvering av motorisk inlärning. Genom att använda tDCS för att stimulera M1-området i hjärnan kan man avsevärt förbättra prestationsnivån i motorisk inlärning och främja förvärv och bibehållande av motoriska färdigheter. Högre inlärningsförmåga kan uppmuntra idrottare att bättre tillägna sig idrottsfärdigheter genom observation, imitation och analys, och de kan snabbt nå den autonoma fasen av att bemästra idrottsfärdigheter, minska den kognitiva belastningen under träning och därmed förbättra idrottsprestationer. Professionella idrottare med starkare inlärningsförmåga slutförde bättre spårningsuppgifter när de utförde flerobjektsspårningsuppgifter. Å andra sidan anser vissa forskare att förbättrad inlärnings-förmåga kan hjälpa idrottare att bättre hantera känslor och stress, förbättra självtillit, öka deras självförtroende när de genomför handlingar, effektivt minska negativ emotionell påverkan och slutligen förbättra idrottsprestationerna-

Det finns ett samband mellan arbetsminne och inlärning av nya färdigheter. Nyare forskning har börjat undersöka arbetsminnets roll i motorisk inlärning och funnit att arbetsminnes-kapacitet kan förutsäga inlärningsresultat i kategoriseringsuppgifter och förmågan att lösa matematiska problem. Arbetsminnet spelar en roll både i visuo-motorisk anpassning och motorisk sekvensinlärning, särskilt i de tidiga stadierna av inlärning. Större arbetsminnes-kapacitet leder till starkare inlärningsförmåga, vilket i sin tur avsevärt förbättrar idrottsprestationer.

Påverkan av beslutsförmåga på idrottsprestationer

Beslutsfattande är en kognitiv process att göra val mellan två eller fler alternativ. Idrotts-beslutsfattande är ett avancerat stadium av kognitiv bearbetning för idrottare, vilket är en mer omfattande förmåga jämfört med arbetsminne och inlärningsförmåga. Därför kräver beslutsfattande deltagande från fler hjärnregioner, vilket är mycket vanligt i sporter som fotboll, basket, volleyboll med mera, där samarbete mellan flera personer krävs.

Kort beslutsfattandetid är ett kännetecken för idrottsarenan, särskilt i tävlingsidrott. För komplexa och öppna sporter påverkar nivån på idrottsbeslutsfattandet direkt idrottarnas prestationer när det gäller tekniska färdigheter och idrottsprestationer. På idrottsarenan integrerar idrottare omedelbart sin egen och motståndarens situationsinformation, utför höghastighets och effektiv bearbetning och gör snabbt bedömningar. Idrottare med högre beslutsförmåga kan snabbt och exakt fatta bedömningar och beslut om aktuella uppgifter, undvika choking-effekter och bibehålla eller till och med förbättra idrottsprestationerna. Omvänt kan felaktiga idrottsbeslut leda till att fel taktiker eller tekniker väljs, vilket direkt leder till en nedgång i idrottsprestationerna och till och med påverkar resultatet av tävlingen. I högnivå tävlingshändelser beror tävlingens utfall inte på idrottsfärdigheter, utan på idrottar-nas val av färdigheter och taktik. Elitidrottare uppvisar både exakt och rationellt besluts-fattande eftersom de har en rimlig kognitiv struktur gentemot idrottsscenarier, och de kan effektivt tilldela uppmärksamhetsresurser baserat på sina kognitiva.

Vissa forskare tror att skillnader i idrottsprestationer bland elitidrottare orsakas av skillnader i informationsval och beslutsfattande. Andra anser till och med att det finns ett positivt samband mellan idrottsprestation och idrottsbeslutsfattande. Idrottare med högre beslutsfattande förmåga inom idrott bearbetar information snabbare, och ju högre hastighet på beslutsfattandet, desto högre nivå av idrottsprestation. När beslutsfattande förmåga minskar, minskar noggrannheten i beslutsfattandet, och beslutstiden blir längre, vilket leder till försämrad idrottsprestation. Därför kan nivån på idrottsbeslutsfattande till viss del skilja mellan idrottarens nivå. I fotbollsmatcher avgör nivån på idrottens beslutsfattande den övre gränsen för en idrottares nivå på samma tekniska nivå. Idrottsbeslutsfattande förmåga gör det möjligt för idrottare att göra de bästa valen vid bedömning av potentiella risker och fördelar, vilket minskar risken för idrottsfel på grund av blint beslutsfattande. I en studie i fotboll fann man att bra idrottsbeslutsfattande är relaterat till idrottarens exakta bedömning av bollens bana och förmåga att fånga bollen, samt idrottarens förmåga att välja bästa pass-ningstid och placera lagkamrater i bästa läge för att göra mål. Det är viktigt för fotbollspelares prestation, och när beslutsfattande förmåga minskar kan det påverka spelarens beslut om att träffa rätt mål. Beslutsfattandets hastighet i komplexa taktiker kan förbättras genom träning, och beslutsfattandets hastighet är också en indikator på idrottsfärdigheter. När sömnbrist leder till minskad hastighet på idrottsbeslutsfattandet, minskar också basketspelares prestation. Den ovanstående forskningen visar att idrottsbeslutsfattande inte bara påverkar individuell idrottsprestation utan även gruppträningens prestation. Därför är det fördelaktigt att förbättra idrottsbeslutsfattande för att förbättra träningsprestationer.

Således kan arbetsminneskapacitet spela en positiv roll i idrottsbeslutsfattande. Vissa forskningsresultat skiljer sig dock från det ovanstående. Till exempel är idrottare benägna att uppleva “choking” vid kritiska ögonblick i en tävling, vilket huvudsakligen påverkas av arbetsminnets kapacitet. Idrottare med högre arbetsminne är ofta mer benägna att prestera dåligt i tävlingar. En möjlig förklaring till detta fenomen är att idrottare med högre arbetsminne tenderar att använda arbetsminnessystemet när de löser problem under tävlingen. När stress och ångest från tävlingen stör arbetsminnessystemets normala funktion kan det orsaka ett plötsligt fall i idrottarens beslutsfattande förmåga, vilket slutligen leder till en nedgång i idrottsprestation. De ovanstående studierna indikerar alla att förbättring av idrottsbesluts-fattande kan förbättra idrottsprestationer. Med det ökande erkännandet och stödet från tränare och idrottare för tanken om att “tävling kräver kognitiv förmåga”, har hur man kan använda tACS för att förbättra kognition blivit en gemensam oro för forskare, tränare och idrottare.

Utveckling av interventionsplaner för tACS

I praktiska tillämpningar har det visat sig att interventionsresultatet för tACS på kognition uppvisar hög variabilitet, där stimulusfrekvens, stimulusplats, stimulusintensitet, stimulustid och idrottarens tillstånd är viktiga faktorer som påverkar interventionsresultatet. Dock har interventionsplanen för tACS ännu inte standardiserats, och det finns skillnader i interven-tionsplaner för olika kognitiva funktioner. Därför kan det hjälpa att tydliggöra de bestånds-delar som ingår i tACS interventionsplanen och dess påverkan på kognitiva funktioner för att utveckla en mer finjusterad tACS interventionsplan, vilket i sin tur förbättrar säkerhetsfaktorn och tillämpningseffekten av tACS.

StimulusfrekvensTill skillnad från andra TES (transkraniell elektrisk stimulering) reglerar tACS hjärnvågor genom en unik strömfrekvens, och hjärnvågor av olika frekvenser är nära relaterade till kognitiva funktioner. Därför kan tACS strömfrekvensen påverka kognitiva funktioner avsevärt.De kognitiva funktionerna som påverkas av olika stimulusfrekvenser varierar, och det finns fem vanligt använda tACS-stimuleringsfrekvenser, där deltafrekvensområdet är 0–4 Hz, thetafrekvensområdet är 4–7 Hz, alfafrekvensområdet är 8–13 Hz, betafrekvensområdet är 13–30 Hz och gammafrekvensområdet är 30–80 Hz.

Forskning har funnit att tACS-stimulering vid olika frekvenser kan påverka olika kognitiva funktioner, thetafrekvensstimulering är främst relaterad till arbetsminnet, positionen för theta-oscillationerna i parietalloben kan förbättra arbetsminnets prestanda, alfafrekvensstimuli är främst kopplade till exekutiv funktion, visuell uppmärksamhet och minnesprocesser. betafrekvensstimulering är relaterad till uppmärksamhet, arbetsminne och exekutiv kontroll och gammafrekvensstimulering är relaterad till bearbetning av indata, arbetsminne och situationsminne. Genom att analysera de ovanstående studierna har det funnits att de flesta tACS-frekvenser kan påverka arbetsminnet, troligen på grund av arbetsminnets breda band, och flera tACS-frekvenser kan orsaka oscillationer i arbetsminnets band.

Vidare forskning har visat att olika frekvenser av tACS även kan påverka samma kognitiva funktion, till exempel har vissa forskare föreslagit att betastimulering kan främja både motoriskt lärande och exekutiv funktion, alfastimulering kan också hämma exekutiv funktion.

Samma frekvensband kan också ha olika effekter på samma kognitiva funktion. Man har funnit att även om de alla tillhör samma kategori, kan thetafrekvenser inom bandet ha olika effekter på kognitiva funktioner. 4 Hz kan fördjupa arbetsminnet, medan 7 Hz inte kan-

Stimulerande effekten av tACS påverkas av individens status. På grund av den neurala oscillationseffekten från input påverkar även den endogena statusen för individens hjärna i stor grad interventionsresultatet av tACS. När tACS används inom thetafrekvensbandet för stimulering förbättras inte alltid en individs arbetsminnesförmåga.

Hjärnvågaktivitet är ett periodiskt dynamiskt system som har en optimal resonansfrekvens. När frekvensen på externa stimuli når eller närmar sig hjärnans nätverksresonansfrekvens är den reglerande effekten på neuroner som starkast. Därför är många forskare engagerade i att hitta personliga tACS-frekvenser baserade på individens endogena oscillationsfrekvens för att öka den reglerande effekten på kognitiva funktioner.

FasBland de faktorer som påverkar effektiviteten av tACS-interventioner förbises fas ofta, men det finns för närvarande begränsad forskning om fasen vid tACS. Eftersom fasens energi bestämmer de relativa positionerna för topparna på endogena och exogena oscillationer är interventionseffekten av tACS nära relaterad till hjärnans endogena oscillationer, vilket kan påverka tACS effekter avsevärt.

När tACS-stimuleringen är i fas (fasdiff mellan 0°) kan den förbättra kognitiva funktioner, medan tACS-stimulering utanför fas (fasdiff mellan 90° och 180°) kan minska kognitiva funktioner. När strömformen för tACS är sinusvågformad växelström kan dess fas bestämma interventionseffekten av tACS. Genom att placera elektroder för tACS i olika hjärnregioner och ställa in deras parametrar kan man reglera den neurala oscillationsaktiviteten mellan två hjärnregioner, vilket förändrar informationsutbytet mellan dessa regioner. För tACS-stimulering i båda hjärnregionerna kommer olika faser av växelström att ge olika effekter.

Synkron fas-stimulering av de frontala och parietala lobarna kan främja förbättringen av arbetsminnesförmågan

Vissa forskare anser också att interventionseffekterna av olika tACS-faser är relaterade till deltagarnas kognitiva nivå. I ett experiment visade det sig att omvänd fas omega-tACS inte är till hjälp för individer med låg nivå, men signifikant försämrar visuellt arbetsminnes-kapacitet hos högpresterande individer. Anledningen kan vara att när kognitiv funktion är på en hög nivå, tenderar den att uppvisa mer komplexa neurala signaler. Vid användning av omvänd tACS-stimulering kan fasrelationen mellan endogena och exogena faktorer hos högpresterande individer skadas, vilket minskar hjärnans förmåga att bearbeta information.

Fas-differenser är inte enbart relaterade till exogena frekvenser utan påverkas också av de endogena frekvenserna hos individuella hjärnregioner. När exogena och endogena frekvenser sammanfaller ökar sannolikheten för fas-synkronisering. Varje äldre deltagares individuella interna frekvens användes sedan som stimulansfrekvens för högupplöst transkraniell växelströmsstimulering (HD-tACS) för att modulera arbetsminnesprestationen hos äldre vuxna. Resultaten visade att personligt anpassad HD-tACS kunde återställa fas-synkronisering i theta-bandet mellan de frontala och temporala lobarna under retentionperioden. Dessutom observerades en signifikant ökning i omega-beta fas-amplitudkoppling (PAC) i den temporala regionen, vilket ledde till förbättrad prestation i arbetsminnesuppgifter.

Sammanfattningsvis är in-fas tACS-stimulering fördelaktig för att förbättra kognitiv funktion, medan anti-fas tACS-stimulering kan minska kognitiv funktion. När in-fas tACS appliceras på de frontala och parietala lobarna har interventionen en större påverkan på exekutiv funktion och arbetsminne. Effektiviteten av in-fas tACS-interventionen är också relaterad till individens kognitiva nivå; ju lägre kognitiv nivå, desto bättre fungerar in-fas tACS-interventionen.

Hjärnstimuleringsområden

Hjärnstimuleringsområdet är det område som är direkt i kontakt med tACS-stimuleringen. De kognitiva funktionerna som representeras av olika hjärnregioner är både överlappande och olika. Denna studie har funnit att olika hjärnregioner har sina fördelar i kognitiva funktioner. Därför är det av stor betydelse att utforska stimuleringen av tACS i olika hjärnregioner för att målinriktat förbättra kognitiva funktioner. För närvarande är de viktigaste hjärnregionerna som stimuleras i tACS-interventionsplanen de frontala och parietala lobarna. När de frontala loberna stimuleras är effekterna mångfacetterade och kan förbättra kognitiva funktioner som motoriskt beslutsfattande, arbetsminne, motoriskt lärande och uppmärksamhet; när de parietala lobarna stimuleras är effekten relativt enkel, och har främst en positiv effekt på arbetsminnet.

Ytterligare forskning har funnit ett starkt samband mellan det högra fronto-parietala hjärnområdet och minnesfunktion, och den parietala loben spelar en central roll i att påverka minnesfunktionen.

6 Hz tACS-stimulering på vänstra frontalloben (F3) respektive vänstra parietalloben (P3) verkar endast när tACS applicerades på den vänstra parietala cortexen förbättrades kapaciteten för lagring av visuellt arbetsminne. Detta stöder den centrala rollen för den parietala lobens hjärnregion i arbetsminneslagringskapacitet, och denna upptäckt har bekräftats i flera neuroimagingstudier.

Effekten av tACS-elektrodstimulering på kognitiv funktion varierar i olika hjärnregioner. Stimulering av frontala och parietala områden vid F3-P3 kan reglera det frontostriatala nätverket som är relaterat till motoriska beslutsfattande eller det frontoparietala nätverket som är kopplat till frivillig exekutiv kontroll. Stimulering av både frontala och parietala loben kan förbättra arbetsminnesförmågan, men den parietala loben är det centrala området för att förstärka arbetsminnet. Parietal lobe θ-tACS-stimulering förbättrar arbetsminnets noggrannhet, medan frontal lobe θ-tACS-stimulering förkortar arbetsminnets responstid. Detta tyder på att även om samma kognitiva funktion påverkas av olika hjärnregioner, finns det skillnader i hur den kognitiva funktionen förändras.

Endast stimuleringen i vänstra hemisfären hade en betydande påverkan på motoriskt beslutsfattande. Jämfört med stimulering i högra hemisfären och falska stimuli, hade deltagare med vänstersidig stimulering högre motivation för motoriskt beslutsfattande. Denna upptäckt har också bekräftats av andra forskare. Stimulering av vänstra frontalloben i ett experiment minskade motivationen för äventyrligt motoriskt beslutsfattande. Vid stimulering av högra frontalloben ökade däremot motivationen för äventyrliga motoriska beslut. Detta kan indikera en potentiell funktionell koppling mellan asymmetri i vänstra och högra frontalloberna och risktagande beslut.

Sammanfattningsvis kan anledningen till att frontalloben och parietalloben är ideala mål för tACS-stimulering bero på två aspekter:

Deras anatomiska läge är relativt ytligt och lättillgängligt

Neuroimagingstudier har visat att frontalloben påverkar ett brett spektrum av kognitiva funktioner, inklusive arbetsminne, uppmärksamhet, inlärning, kreativt tänkande och social funktion. Därför stöder de flesta aktuella studier frontalloben som det huvudsakliga stimulansområdet för att påverka kognitiva funktioner

Stimulansdos

Stimulansdosens storlek beror på stimulansintensitet, stimulanstid och elektrodstorlek och är en viktig faktor som påverkar stimulansens effektivitet. En enkel stimulansplan kan inte bara misslyckas med att förbättra tACS-effekten utan kan också orsaka irritation eller skada på deltagarna. Baserat på tidigare forskning har de flesta aktuella studier funnit följande parametrar som vanliga:

Toppen av strömstyrkan ligger mellan 0,5 och 2 mA

Stimulanstiden är mellan 6 och 40 minuter

Elektrodstorleken varierar mellan 9 och 35 cm².

De oftast använda parametrarna är en toppström på 1 mA, stimulanstid på 20 minuter, och elektrodstorlek på 35 cm².

Med ökad forskning har det dock visat sig att olika stimulansdoser kan ha olika effekter på kognitiva funktioner. Mer precisa doser förbättrar tACS-effekten vid kognitiv reglering. Nuvarande klinisk praxis använder oftast strömstyrkor på 0,5–2 mA, vilket både möjliggör goda interventionseffekter och undviker hudskador från för hög intensitet.

Etiska risker med användning av transkraniell växelströmsstimulering (tACS)

”Att sätta människan i centrum” är grundläggande för tävlingsidrotten och en förutsättning för dess hälsosamma utveckling. Därför är det avgörande att utreda om användningen av tACS strider mot reglerna i Världsantidopningsbyråns (WADA) regelverk. Enligt WADA:s kod (2020) övervägs substanser eller metoder för att inkluderas i WADA:s internationella lista över förbjudna metoder (här kallad Förbudslistan) om de uppfyller minst två av tre kriterier.

Nuvarande forskning visar att tACS kan förbättra idrottsprestationer genom att förstärka kognitiva förmågor och att ingen faktisk eller potentiell hälsorisk för idrottare har identifierats. Därför beror huruvida tACS kommer att förbjudas av WADA främst på om dess användning strider mot sportens anda.

Ökad ojämlikhet

Användning av tACS för att förbättra kognitiva funktioner kan leda till ökad ojämlikhet mellan idrottare. På grund av olika kostnader och tillgänglighet kan användningen av tACS variera mellan länder och regioner. Detta kan ge vissa idrottare en fördel i tävlingar och skapa orättvisa förutsättningar. Även inom träning kan effekterna av tACS variera beroende på interventionsplan, idrottarnas tillstånd och andra faktorer.

Om tACS möjliggör prestationsförbättring utan att kräva lika hård träning, kan det skapa orättvisa i träningsprocessen

Dessutom är resultaten från olika studier motsägelsefulla: vissa visar att tACS förbättrar kognitiva funktioner medan andra inte gör det. Detta gör det svårt att fullt ut bedöma dess konsekvenser för sportslig rättvisa.

Risk för policybrister

För närvarande saknas metoder för att pålitligt upptäcka om en individ nyligen använt tACS för att förbättra kognitiva funktioner. Detta gör att neural stimulering är nästintill omöjlig att identifiera inför tävlingar. Tidigare exempel, såsom genetisk dopning, visar att tekniska innovationer kan skapa obalans i antidopningspolicyer innan effektiva detekteringsmetoder utvecklas.

Några forskare har föreslagiy att övervakning av biomarkörer, som BDNF, skulle kunna användas för att identifiera tACS-användning

Trots detta behövs billigare och mer tillgängliga metoder för att säkerställa idrottens människoorienterade ideal.

För närvarande bryter tACS inte mot WADA:s antidopningskod. Men på grund av teknikens komplexitet och dess potentiella betydelse för prestationsförbättring kan framtida regler begränsa användningen av tACS, exempelvis till träningsfasen. WADA bör initiera forskning för att skapa vetenskapligt grundade riktlinjer för tACS, reglera dess användning och minimera negativa effekter på sportens anda.

Referens: Wu Q, Wu C, Liu J. Research progress on the intervention of cognitive function using transcranial alternating current stimulation technology. Front Psychol. 2024; 15: 1405636