Abstract
BACKGROUND Everyday life requires permanent shifts between multiple actions. It is well-known that executive functions are involved in such task switching processes (Monsell 2003). To test these control mechanisms neuropsychological research applied the task switching paradigm, in which participants are instructed to switch between different component tasks. Several neuroimaging studies have shown that task switching is associated with increased activity in the left inferior frontal junction (IFJ; Brass et al. 2005). The existing literature provides no conclusions about the reverse relation: Do different levels in IFJ activity lead to performance modulations in the task switching paradigm? The present study aimes to give novel insights into the causal association between alteration of neuronal activity and efficiency of executive functioning by using transcranial direct current stimulation (tDCS) as intervention.
METHODS We assessed the effects of concomitant tDCS on executive functioning under conditions of single tasks, task repetitions, and task switches in the task switching paradigm. Thirty healthy participants received anodal (atDCS), cathodal (ctDCS), and sham tDCS over the left IFJ across three experimental sessions. To evaluate the impact of stimulation on the performance (reaction times and error rates) we conducted a repeated measures analysis of variance. Furthermore, we investigated the stimulation effects on mixing costs (single tasks versus task repetitions) and switching costs (task repetitions versus task switches), given that these cost types reflect different sets of executive control mechanisms.
RESULTS The results showed no evidence of tDCS-induced effects on mixing and / or switching costs (p > ,449). When conducting separate analysis of the first session we found increased mixing costs in the atDCS condition in contrast with ctDCS (p = ,059) and sham (p = ,022).
CONCLUSIONS The present study provides two important findings: training of the task switching paradigm across experimental sessions, independent of stimulation condition, reduces the mixing and switching costs and thus improves the involved executive functioning. Excluding these practice effects atDCS caused an increase of mixing costs in the first session. This was interpreted in the context of task switching theories: atDCS may facilitate the efficiency of the working memory performance. The results give some indication of a performance-enhancing effect through cognitive training as well as through atDCS of the left IFJ on the performance of the working memory. Further studies should investigate if combining both interventions enhances the reported effects so that tDCS can be used in clinical approaches for executive dysfunctioning.
Zusammenfassung
HINTERGRUND Im alltäglichen Leben erfordert ein situationsangepasstes, zielführendes Verhalten einen ständigen Wechsel zwischen verschiedenen Handlungen. In der Psychologie werden die in diese Wechsel involvierten exekutiven Prozesse mittels des Aufgabenwechselparadigmas untersucht. In diesem Paradigma bearbeiten Versuchspersonen mehrere unterschiedliche Aufgaben nacheinander (Monsell 2003). Bildgebungsstudien konnten nachweisen, dass die Durchführung des Paradigmas mit einer kortikalen Aktivitätssteigerung des linken inferior-frontalen Kreuzungsareals (inferior frontal junction, IFJ) einhergeht, das im lateralen präfrontalen Kortex liegt (Brass et al. 2005). Bislang ist jedoch unklar, ob im Umkehrschluss eine Veränderung der neuronalen Erregbarkeit der IFJ auch mit der behavioralen Leistung im Aufgabenwechselparadigmas korreliert. Zur Erkundung dieses kausalen Zusammenhangs wurde in der vorliegenden Arbeit die sogenannte nicht-invasive transkranielle Gleichstromstimulation (transcranial direct current stimulation, tDCS) eingesetzt.
METHODIK Im Rahmen einer placebokontrollierten Studie wurde der Einfluss der tDCS auf exekutive Funktionen bei 30 gesunden Probanden untersucht. Anhand des Aufgabenwechselparadigmas wurde die Performance (Reaktionszeiten und Fehlerraten) der Einzel-, Wiederholungs- und Wechselaufgaben erhoben. Während der Aufgabendurchführung wurde im Rahmen von drei aufeinanderfolgenden Sitzungen anodaler (atDCS), k(c)athodaler (ctDCS) und sham tDCS über der linken IFJ appliziert. Stimulationseffekte auf die Performance wurden jeweils in mehrfaktoriellen Varianzanalysen mit Messwiederholungen evaluiert. Da sich Mix- (Leistung der Wiederholungs- versus Einzeldurchgänge) und Wechselkosten (Leistung der Wechsel- versus Wiederholungsdurchgänge) als geeignete Parameter für exekutive Kontrollmechanismen erwiesen haben, lag der Fokus insbesondere auf den Auswirkungen der tDCS auf diese Kosten.
ERGEBNISSE Die Ergebnisse zeigten, dass kein intra-individueller Unterschied zwischen den Stimulationsbedingungen im Rahmen aller Sitzungen auftrat (p > ,449). Allerdings zeigte die Gruppe der ersten Sitzung, die mit atDCS stimuliert wurde, höhere Mixkosten im Vergleich zu den Probanden, die mit ctDCS (p = ,059) oder sham tDCS (p = ,022) stimuliert wurden.
SCHLUSSFOLGERUNG Die vorliegende Studie liefert zwei wichtige Erkenntnisse: Einerseits führte die mehrmalige Bearbeitung des Aufgabenwechselparadigmas über die experimentellen Sitzungen unabhängig von der Stimulationsbedingung zu einer Reduktion der Mix- und Wechselkosten und somit zu einer Verbesserung der involvierten exekutiven Funktionen. Andererseits zeigte sich, dass ohne Berücksichtigung des Trainingseffektes atDCS bei der ersten Sitzung eine Zunahme der Mixkosten bewirkte. Dies wurde basierend auf den Kosten zugrundeliegenden Theorien, als Resultat einer verbesserten Arbeitsgedächtnisleistung interpretiert. Die Ergebnisse geben somit Aufschluss über einen leistungssteigernden Effekt sowohl durch kognitives Training als auch durch atDCS der linken IFJ auf die Performance des Arbeitsgedächtnisses. Ziel weiterführender Studien sollte die Untersuchung darstellen, ob sich durch eine Kombination beider Verfahren die beobachteten Effekte verstärken lassen, so dass tDCS bei exekutiven Dysfunktionen perspektivisch klinische Anwendung finden kann.
