Mänskligt sensomotoriskt och kognitivt beteende är förknippat med förändringar i hjärnans svängningsaktivitet. Till exempel är integrationen av olika aspekter av ett stimulus till en enhetlig uppfattning relaterad till synkroniserade oscillationer i gammaområdet (30-100 Hz), medan effekten i alfabandet (8-12 Hz) ökar under avslappning. Motorisk aktivitet är förknippad med förändringar i betafrekvensoscillationer, som har ett intervall på 15-30 Hz och toppar vid ∼20 Hz. Frivillig rörelse är förknippad med en minskning av effekten (desynkronisering) i detta frekvensområde, och avslutandet av rörelsen följs av en återställande av effekten (Salmelin och Hari, 1994). En hypotes är att betaaktivitet representerar status quo (Engel och Fries, 2010). Parkinsons sjukdom, där de drabbade har svårt att initiera eller ändra rörelser, är anmärkningsvärt förknippad med högre nivåer av betasynkronisering (Schnitzler och Gross, 2005), vilket tyder på att den förstärkta betaaktiviteten förhindrar förändring från status quo.

Den nyligen utvecklade tekniken transkraniell växelströmstimulering (tACS) kan vara ett sätt att undersöka de oscillatoriska fältens roll i hjärnans funktion. Vid tACS placeras två elektroder på huvudet och en växelström leds mellan dem. Detta inducerar ett oscillerande elektriskt fält över hjärnan mellan de två elektroderna. Det är troligt att detta inducerar neurala synkroniseringar med tACS:s frekvens i de kortikala områdena under elektroderna, även om relativt lite är känt om tACS:s elektrofysiologiska effekt på hjärnan (Zaghi et al., 2010). Jämfört med andra tekniker för hjärnstimulering, såsom transkraniell magnetstimulering (TMS) eller direkt transkraniell strömstimulering (tDCS), har tACS ett antal fördelar. Effekten av fältet är kortvarig, eftersom ingen effekt av tACS är tydlig efter att strömmen avlägsnats, medan effekterna av tDCS överlever stimuleringen med flera minuter. Stimuleringen är vanligtvis inte heller märkbar för deltagaren, medan tDCS kan sticka i huden och TMS innebär ett hörbart klick.

I en nyligen publicerad artikel i The Journal of Neuroscience tillämpade Feurra och kollegor (2011) tACS med fyra olika frekvenser på den primära motoriska cortexen hos frivilliga människor. Effekten av tACS på den motoriska cortexen fastställdes genom att använda enskilda pulser av TMS över handområdet i den vänstra motoriska cortexen för att generera muskelsvar som mättes i deltagarnas högra hand . Amplituden av MEP tros hänga samman med excitabiliteten hos den kortikospinala banan. MEP-storleken används ofta som ett mått på det motoriska systemets beredskap för handling, till exempel när man observerar handlingar som utförs av en annan aktör (Fadiga et al., 2005). Feurra och kollegor (2011) använde fyra frekvenser av tACS: 20 Hz och kontrollfrekvenser på 5, 10 och 40 Hz (som representerar theta-, alfa- respektive gammaområdet). Dessutom stimulerades en kontrollplats i höger parietal cortex för att kontrollera tACS-stimuleringens rumsliga specificitet. Feurra et al. (2011) fann att tACS-stimulering vid alla frekvenser hade en förstärkande effekt på MEP (deras fig. 2), även om parvisa tester mellan förhållandena visade att endast målfrekvensen 20 Hz hade en statistiskt signifikant förstärkning jämfört med baslinjen och jämfört med de andra stimuleringsförhållandena. Dessa andra stimuleringsförhållanden omfattade den parietala stimuleringsplatsen. I ytterligare ett kontrollexperiment upptäcktes inga effekter av stimuleringsfrekvensen på MEP-storleken när MEP genererades genom att applicera TMS på ulnarnerven i höger arm, vilket visar att effekterna inte berodde på en fysisk interaktion mellan den tACS-inducerade strömmen och den ström som genereras av TMS. Resultaten av Feurra och kollegors (2011) experiment tyder på att betafrekvent tACS kan påverka den motoriska kortikala excitabiliteten. Dessa effekter var rumsligt specifika, eftersom stimulering av den kontralaterala parietala cortexen inte påverkade MEP-storleken, och frekvensspecifika, eftersom tACS vid olika frekvenser inte heller förändrade MEP-storleken.

Resultaten av detta arbete är intressanta eftersom det inte finns någon a priori anledning att tro att injektion av en ström med en frekvens som liknar den som är naturligt förekommande skulle ha samma effekt som den naturligt förekommande rytmen. För närvarande finns det ingen känd funktionell roll för oscillationer i betafrekvensen, så det är inte klart om beta-aktivitet kodar för en specifik kvalitet av motorisk aktivitet eller planering eller om det helt enkelt är ett epifenomen. Om aktiviteten i betabandet var ett epifenomen skulle vi inte förvänta oss någon effekt av att lägga till effekt i denna frekvens. Omvänt, om aktivitet i detta område var funktionellt och kausalt relaterad till motoriskt beteende i sig självt, oavsett vilken population av neuroner som deltog i rytmen, skulle det tyda på att motorisk information överförs genom neuronal synkronisering; i detta fall skulle den betydande extra ström som tACS tillför sannolikt störa den pågående bearbetningen i hjärnbarken. I vilket fall som helst är det troligt att den exakta frekvens som bäst representerar betabandet är specifik för en person och ett kortikalt område. I en studie var till exempel hand- och fotrörelser förknippade med olika betafrekvenser över motsvarande områden i sensomotorisk cortex, och inom varje område varierade toppfrekvensen mellan olika individer (Neuper och Pfurtscheller, 2001). Att använda en enda frekvens för alla deltagare i en studie skulle därför kunna innebära att vissa personer skulle vara mindre benägna att visa en effekt. Det är anmärkningsvärt att i studien av Feurra et al. (2011) var det fyra försökspersoner (av 15) som reagerade sämre på 20 Hz än på andra frekvenser av tACS, även om betastimuleringen hos dessa fyra försökspersoner gav den näst bästa effekten. Den individuella variationen i toppbetafrekvensen mättes inte i den studien.

Feurra et al. (2011) rapporterar en ökning av MEP-storleken, vilket brukar anses representera en positiv förändring av den motoriska funktionen. Ändå visade en nyligen genomförd studie där man använde 20 Hz tACS till vänster motorisk cortex en skadlig effekt på det motoriska beteendet i höger övre extremitet: under tACS blev människors rörelser långsammare (Pogosyan et al., 2009). Hur kan vi förena resultaten från Feurra et al. (2011) och Pogosyan et al. (2009)? Vi föreslår att en förstärkning av den oscillatoriska aktiviteten genom användning av tACS ökar excitabiliteten i hela den motoriska cortexen (därav de ökade MEP-amplituderna); det gör det dock på ett icke-selektivt sätt. Med tanke på att primär motorisk cortex är funktionellt organiserad i synergier (Holdefer och Miller, 2002) är det troligt att samaktivering av ett antal synergikluster har en skadlig effekt på varje enskild åtgärd. Uttryckt på detta sätt kan synkronisering av oscillatorisk aktivitet hos neuroner i motorisk cortex vara både fysiologiskt förstärkande och funktionellt skadlig. Detta stämmer överens med tidigare arbete som visar att rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom kännetecknas av synkronisering i betabandet.

Modulering av hjärnaktivitet genom icke-invasiv strömstimulering är ett nytt verktyg inom den kognitiva neurovetenskapen och har redan gett intressanta resultat. Det senaste arbetet av Feurra et al. (2011) är ett viktigt steg i förståelsen av de fysiologiska händelser som inträffar under tACS. Arbetet visar dock också på den kausala roll som den oscillerande hjärnaktiviteten med betafrekvens spelar för det motoriska beteendet: om beta-aktivitet var ett epifenomen skulle ett tillskott av mer aktivitet inte förändra tillståndet i det motoriska systemet. Arbetet väcker också ett antal frågor: Hur nära måste stimuleringsfrekvensen ligga deltagarens individuella betatopp? Vilken är den somatotopiska specificiteten hos effekten (skulle MEP i benen påverkas mindre än MEP i händerna)? Kan strömfördelningen utformas så att den stimulerar ett mindre område av hjärnbarken, vilket leder till en mer somatotopisk specifik effekt? Kan ändring av stimuleringsparametrarna generera både förbättrande och försämrande motoriska resultat? tACS är ett nytt verktyg inom kognitiv neurovetenskap och noggrant kontrollerade studier av detta slag är mycket lovande för framtida studier av den neurala kontrollen av beteende.