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Neuroscience

Efectos de la corriente alterna la estimulación transcraneal en la corteza de Motor primaria por Online enfoque combinado con la estimulación magnética transcraneal

Published: September 23, 2017 doi: 10.3791/55839

Summary

Estimulación transcraneal de corriente alterna (TAC) permite la modulación de la excitabilidad cortical en forma de frecuencia específicos. A continuación os mostramos un enfoque único que combina TAC en línea con pulso único estímulo magnético de Transcranial (TMS) con el fin de "sondeo" excitabilidad cortical mediante potenciales evocados Motor.

Abstract

Estimulación transcraneal de corriente alterna (TAC) es una técnica de neuromoduladoras capaces de actuar a través de formas de onda eléctricas sinusoidales de una frecuencia específica y a su vez modulan la actividad oscilatoria cortical permanente. Esta neurotool permite el establecimiento de un vínculo causal entre actividad oscilatoria endógena y el comportamiento. La mayoría de los estudios de TAC ha demostrado efectos en línea de TAC. Sin embargo, poco se sabe sobre los mecanismos subyacentes de la acción de esta técnica debido a los artefactos inducidos por la AC en señales de electroencefalografía (EEG). A continuación os mostramos un enfoque único para investigar en línea efectos fisiológicos de la frecuencia específica de TAC de la corteza motora primaria (M1) mediante el uso de pulso simple estímulo magnético de Transcranial (TMS) para cambios de excitabilidad cortical. En nuestra configuración, la bobina TMS se coloca sobre el electrodo de TAC mientras se recogen los potenciales evocados Motor (MEPs) para probar los efectos de los actual M1-TAC. Hasta ahora, este enfoque se ha utilizado principalmente para el estudio de los sistemas visuales y motor. Sin embargo, la configuración actual de la TAC-TMS puede allanar el camino para futuras investigaciones de funciones cognitivas. Por ello, ofrecemos un manual paso a paso y videos guías para el procedimiento.

Introduction

Estimulación eléctrica transcraneal (tES) es una técnica de neuromoduladoras que permite la modificación de Estados neuronales a través de diferentes de formas de onda actuales1. Entre los diferentes tipos de tES, transcranial estímulo de corriente alterna (TAC) permite la entrega de sinusoidales externos potenciales oscilatorios en un determinado rango de frecuencias y la modulación de la actividad fisiológica de los nervios subyacente perceptual, procesos motores y cognitivos2. Uso de TAC, es posible investigar posibles relaciones causales entre la actividad oscilatoria endógena y procesos cerebrales.

In vivo, se ha demostrado que clavar actividad neuronal está sincronizado en diferentes frecuencias conducción, sugiriendo que la leña neuronal puede ser arrastrada por campos eléctricamente aplicada3. En modelos animales, débil TAC sinusoidal arrastra la frecuencia de descarga neuronal cortical generalizada de la piscina4. En los seres humanos, TAC combinada con online electroencefalograma (EEG) permite la inducción del llamado efecto de "Arrastre" en la actividad oscilatoria endógeno interactuando con las oscilaciones del cerebro en una manera específica de frecuencia de5. Sin embargo, combinando TAC con métodos de neuroimagen para una mejor comprensión de los mecanismos en línea es aún cuestionable debido a artefactos inducidos por AC6. Además, no es posible grabar directamente la señal de EEG sobre el área estimulada sin utilizar un electrodo de anillo que es una cuestionable solución7. Por lo tanto, es la falta de estudios sistemáticos sobre este tema.

Hasta ahora, no hay ninguna evidencia clara sobre los efectos duraderos de TAC después de la cesación del estímulo. Sólo unos pocos estudios han demostrado efectos débiles y confusas de TAC el sistema de motor8. Por otra parte, evidencia de EEG todavía no está claro acerca de los efectos secundarios del TAC9. Por otro lado, la mayoría estudios de TAC demostraron efectos en línea prominente10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, que son difíciles de medir a un nivel fisiológico debido a limitaciones técnicas. Así, el objetivo general de nuestro método es proporcionar una alternativa para probar efectos online y dependiente de la frecuencia de la TAC en la corteza de motor (M1) mediante la entrega de pulso simple estímulo magnético de Transcranial (TMS). TMS permite a los investigadores para "sondear" el estado fisiológico de la corteza motora humana19. Por otra parte, mediante el registro de potenciales evocados motores (MEP) en la mano contralateral del sujeto, podemos investigar los efectos de los TAC permanente11. Este enfoque nos permite exactamente monitor de cambios en la excitabilidad corticoespinal midiendo amplitud MEP durante la estimulación eléctrica en línea en diferentes frecuencias en una manera libre de artefactos. Además, este enfoque también puede probar en línea efectos de cualquier otra forma de onda de tES.

Para demostrar los efectos combinados de TAC-TMS, mostramos el protocolo mediante la aplicación alterna de 20 Hz de estimulación en la corteza motora primaria (M1) mientras neuronavigated en línea solo pulso TMS se entrega entremezclado por intervalos al azar de 3 a 5 s para probar M1 excitabilidad cortical.

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Protocol

todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de ética de investigación local de la escuela superior de economía (HSE), Moscú, con el consentimiento de todos los participantes.

Nota: los participantes no deben reportar ninguna historia de dispositivos metálicos implantados, enfermedad neurológica o psiquiátrica, abuso de drogas o alcoholismo. TMS se utiliza según el más reciente de directrices de seguridad 20. Temas deben estar plenamente informados de la naturaleza de la investigación y muestra un formulario de consentimiento informado antes de comenzar el experimento. Mostramos un conjunto de equipos necesarios para ejecutar el protocolo TAC-TMS en línea combinado por el estímulo de la M1 dominante ( figura 1; Tabla de materiales).

1. electrodos de lugar la electromiografía (EMG) en un montaje Bipolar de vientre-tendón

  1. limpiar la piel con un exfoliante de limpieza bajo los electrodos para lograr la impedancia de la piel baja (por debajo de 10 kOhm).
  2. Coloque el electrodo de referencia electrodo de EMG activo en el músculo interosseous dorsal primera de la (IED) sobre el hueso 2 cm distal y el electrodo de tierra más proximalmente en el brazo

2. Identificando el objetivo para el protocolo de estimulación

Nota: aquí, utilizamos el sistema de navegación sin marco de TMS para lograr un posicionamiento adecuado de la bobina TMS.

  1. Coloque los sensores de seguimiento sobre la glabela entre las cejas y por encima de la nariz de la participante.
  2. Abra el software de sistema de navegación. Utilizar los participantes individuales ' datos estructurales de T1 la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI) y realizar un co-registro del participante ' s y un cabezal de MRI 3D mediante el sistema de navegación.
  3. Con precisión, coloque la bobina en el mano-área motora primario, el así llamado " perilla motor " región ( figura 2).
  4. Empezar a aplicar solo pulso TMS y prueba los diputados; TMS es entregada por un estimulador (véase Tabla de materiales) conectado a una bobina de 75 mm estándar de figura de ocho. Para localizar el " punto " de la M1 izquierda, sostenga la bobina tangencial en el cuero cabelludo, con el mango apuntando hacia atrás y lateralmente, en ángulo a 45° del eje de la línea media sagital del participante ' cabeza.
  5. Una vez que se encuentra el punto de acceso (es decir, el punto del cuero cabelludo descubrimiento los eurodiputados en el umbral de la contralateral examinaron los músculos de la mano), marcarlo con un lápiz para facilitar la aplicación del electrodo blanco TAC.

3. TAC preparación de electrodos

  1. Connect 2 electrodos de superficie de esponja empapada en solución salina (tamaño: 5 cm x 7 cm) para el dispositivo de estimulación, que puede generar corriente eléctrica (por ejemplo, Brainstim).
  2. Con el fin de minimizar la sensación de la piel, constantemente saturan los electrodos con una solución salina para mantener impedancias por debajo de 10 kOhm a lo largo de la sesión de estimulación todo.

4. TAC protocolo Set Up

  1. para configurar el protocolo de TAC utilizando el dispositivo estimulador, primero Compruebe el estado de la batería.
  2. Uso del software, abrir una nueva sesión y administrar un nuevo protocolo de estimulación.
    1. Nombre del Protocolo (por ejemplo, " Beta ").
    2. Ajustar la frecuencia del estímulo (por ejemplo, 20 Hz).
    3. Elija la forma de onda (por ejemplo sinusoidal).
    4. Fijar la duración total del Protocolo de estimulación (por ejemplo, 600 s).
    5. Finalmente, ajustar la intensidad del estímulo (por ejemplo, 1 mA), set offset, fundidos, se descoloran hacia fuera y fase en " 0 ".
      Nota: un poco de tiempo a desvanecerse y la estimulación (alrededor de 30 s) puede ser sugerida, para evitar efectos neurosensoriales adversos o incómodos para el tema.
    6. Activar el dispositivo de ' s " Bluetooth " funcionar y cargar el protocolo desde el software para el estimulador.

5. TAC montaje de electrodos

  1. lugar el " destino " electrodo sobre el cuero cabelludo correspondiente al punto marcado. Lugar la " referencia " electrodo sobre el hombro ipsilateral utilizando cinta adhesiva específica, en un " montaje monopolar " 21.
  2. Ajuste cuidadosamente la primera correa elástica en la cabeza con respecto a la posición de la cabeza-sensores de neuro-navegación. Entonces, usando la segunda correa, fijar la posición de electrodo blanco.
  3. Una vez TAC los electrodos se colocan en el cuero cabelludo y en el hombro ipsilateral, unirlos con el estimulador.
  4. Antes del inicio de la sesión de estimulación, asegurar mediante inspección visual que posición del electrodo objetivo está centrado sobre el punto de acceso marcado.

6. Identificar el umbral Motor de reclinación (RMT)

  1. lugar del TMS de la bobina sobre el electrodo de TAC blanco y ajuste cuidadosamente la posición de la bobina sobre el hotspot ( figura 3) mediante el sistema de neuro-navegación.
  2. Medir la RMT en consecuencia a la configuración combinada de TAC-TMS (es decir, bobina de TMS sobre el electrodo). En concreto, ajustar la intensidad de la TMS en relación con el grosor del electrodo TAC para verificar un RMT confiable.
    1. Medir individualmente la RMT, se define como la intensidad mínima requerida para inducir un MEP en el músculo de la IED con una amplitud de 50 mV (pico a pico) en 5 de cada 10 ensayos 22.
  3. Ajustar la intensidad del estímulo de TMS en el 110% de la RMT para iniciar la sesión experimental.

7. procedimiento experimental

  1. Abra el software de EMG y empezar la grabación de la EMG.
  2. Comenzar la estimulación TAC.
  3. Durante la estimulación, entregar pulsos solo TMS entremezclados por intervalos al azar de 3 a 5 segundos.
  4. Asegurarse de que cada sesión de estimulación (p. ej., estimulación de 20 Hz del TAC seguida por la frecuencia de control tratamiento simulado y otro) dura no más de 90 segundos con un intervalo inter-sesión alrededor de 3 minutos, para evitar los efectos de la posible prórroga de la anterior estimulación frecuencia/condición 11 , 13.

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Representative Results

La primera evidencia de un enfoque combinado de TAC/TMS fue demostrada por Kanai et al. , 2010. En ese estudio, los autores aplican la TAC sobre la corteza visual primaria (V1) y demostraron una modulación de frecuencia-específicas de la excitabilidad cortical visual medida por fosfeno TMS-inducida en línea percepción15. Una versión más refinada del protocolo fue adoptada para investigar una modulación fisiológica de la excitabilidad de la corteza motora por Feurra et al. en 2011. Para ello, estos autores registraron los eurodiputados durante solo pulso TMS mientras que curso TAC fue entregado (figura 4). Autores reportaron la primera evidencia causal del posible arrastre de 20 Hz de estimulación del ritmo endógeno de Beta ralentí de M1 mejorando la salida corticoespinal con respecto a otras frecuencias de control, sitio de control (estímulo parietal) y control experimento (el experimento de periférica del nervio cubital)11 (figura 5).

En un estudio siguiente, Feurra y colaboradores demostraron que los efectos de TAC son no sólo la frecuencia, pero también dependiente del estado13. Utilizando el mismo combinado montaje, TAC fue aplicada sobre M1 bajo dos condiciones diferentes: imágenes de resto y el motor (sujetos se les pidió imaginar pizca a movimientos de agarre). En consonancia con los anteriores resultados11, sólo estimulación de Beta (20 Hz) mayor excitabilidad de la corteza de motor primaria en reposo, mientras que durante la tarea de motor imágenes el efecto de mejora era prominente durante estimulación alfa (10 Hz) y theta (5 Hz). Esto representó la primera evidencia fisiológica de un efecto dependiente de estado por TAC.

Hasta la fecha, este combinado se acercó ha sido utilizado para profundizar el estudio del funcionamiento de la corteza de motor (tabla 1). Guerra y colaboradores TAC-TMS aplicadas, utilizando un enfoque similar, para mostrar cómo determinados circuitos interneuronal reaccionan al estímulo entregan en frecuencia (20 Hz) del motor y la frecuencia de resonancia no-motor (7 Hz). Demostró que 20 Hz de estimulación abolió el efecto colinérgico latencia corto inhibición aferente (SAI), independientemente de la fase de la estimulación. Curiosamente, los cambios en facilitación intracortical glutamatérgica (ICF) y GABAAergic intervalo corto de inhibición intracortical (SICI) eran específicos de fases23.

Figure 1
Figura 1: Lista de los materiales para la estimulación simultánea TAC. Solución salina, dispositivo de control, cintas elásticas, esponjas (TAC), TAC cable cables y electrodos, jeringas, cinta adhesiva. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Neuronavegación durante el protocolo de TAC-TMS. La cruz roja indica un TMS memorizado hot spot en la corteza primaria del motor. La cruz blanca superpuesta indica un posicionamiento online de la bobina TMS durante el protocolo, como muestra de la orientación correcta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : TAC-TMS en el cuero cabelludo del tema. La bobina TMS se colocarán sobre el electrodo de TAC de destino. El investigador debe mantener la posición de la bobina de acuerdo con las coordenadas de Neuronavegación del hotspot. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Representación esquemática del diseño experimental utilizando el enfoque de TAC-TMS en línea. (a) rojo ("target") electrodos se coloca en el cuero cabelludo que cubre la corteza motora izquierda y la corteza parietal derecha (posición P4 del sistema internacional de EEG de 10-20). Se coloca el electrodo azul ("referencia") en la línea media correspondiente a la PZ (10 -20 sistema de EEG internacional) posición (montaje bipolar/cefálica). De la nota, el electrodo de referencia de la propuesta actual se coloca en el hombro ipsilateral (montaje monopolar), mientras que el P4 se utiliza como un sitio de control. (b) Neuronavigated TMS: la bobina se lleva a cabo en el electrodo de la esponja sobre la izquierda M1. Los triángulos coloreados indican los comentarios en línea de la dislocación de la bobina de lo topica, con una tolerancia de 2 mm (esta cifra ha sido modificada desde Feurra et al., 2011)11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 : Resultados representativos. (a) medio de amplitud MEP registro-transformada (barras de error denotan Error estándar) los valores (datos brutos) obtenidos a través de diferentes condiciones experimentales. Sólo TAC en gama beta (20 Hz) en la corteza de motor aumenta la producción corticoespinal versus todas las demás condiciones (línea de base, 5 Hz, 10 Hz, 40 Hz y 20 Hz sobre la corteza parietal). Un asterisco (*) indica una diferencia significativa de 20 Hz de estimulación con respecto a todas las otras condiciones. (b) variación porcentual comparación base cruda valores de amplitud MEP (esta cifra ha sido modificada desde Feurra et al., 2011)11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Autores Tarea Frecuencia Intensidad
TD > posición de electrodos Resultados Feurra et al., 2011 mediciones de la excitabilidad corticoespinal en reposo 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz 1 mA Izquierda M1, corteza parietal, del nervio cubital 20 Hz aumenta tamaño de los eurodiputados en el resto Feurra et al., 2013 mediciones de la excitabilidad corticoespinal en reposo y durante imágenes motor 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz 1 mA Izquierda M1 20 Hz aumentó en tamaño de los eurodiputados en reposo 5 y 10 Hz un tamaño de diputados durante imágenes motor Cancelli et al., 2015 mediciones de la excitabilidad corticoespinal en reposo 20Hz 2.2 mA M1 bilateral Diferencias en la mejora de la excitabilidad cortical con respecto a los electrodos personalizados y no personalizada Guerra et al., 2016 mediciones de la excitabilidad corticoespinal en reposo 7 Hz, 20 Hz 1 mA Izquierda M1 TAC de 20 Hz modulada SICI, ICF y SAI

Tabla 1: efectos del TAC en la corteza primaria del motor a través de diversas condiciones. Frecuencia, intensidad, sitio cortical de la estimulación y los resultados.

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Discussion

Este enfoque representa una oportunidad única para probar directamente en línea efectos de TAC de la corteza primaria del motor mediante la medición de salida corticoespinal a través de los diputados la grabación. Sin embargo, la colocación de la bobina TMS sobre el electrodo de la TAC representa un paso fundamental que debe realizarse con precisión. Por lo tanto, en primer lugar sugerimos experimentadores buscar un punto de destino de pulso simple TMS, luego marcan sobre el cuero cabelludo y, solamente después de eso, coloque el electrodo de la TAC sobre el hotspot. Por otra parte, la disponibilidad de un sistema de Neuronavegación crucial soporta localización de un punto óptimo pretendido para solo pulso TMS. Antes de iniciar el procedimiento, asegúrese de que el participante no tiene contraindicaciones para tES24 y TMS20.

Además, el espesor y la posición del electrodo TAC bajo la bobina TMS pueden conducir a un RMT diferente con respecto a un procedimiento estándar. Por lo tanto, es importante medir la RMT cuando la bobina TMS ya se coloca sobre el electrodo de la TAC.

El enfoque en línea TMS-TAC representa un avance técnico para investigación básica y aplicación clínica. Ya que la mayoría de las pruebas de TAC ha demostrado que los efectos son prominentes durante y no después de la cesación del estímulo, este enfoque puede ser útil para probar online efectos beneficiosos de la frecuencia-específica en pacientes con enfermedad de motor, como temblor esencial, distonía, enfermedad de Parkinson y otras enfermedades de motor.

Hasta ahora, este acercamiento combinado fue utilizado para investigar motor y corteza visual procesa11,15. Sin embargo, el TAC se mostró ser una técnica confiable para mejorar las funciones cognitivas como la memoria y la decisión de hacer14,16,25,26,27. En el futuro, la posibilidad de combinar TMS repetidor (rTMS) junto con la TAC por la manipulación de frecuencias diferentes y dirigidos a diferentes áreas corticales puede ayudar a investigar los mecanismos de la llamada "neuroenhancement". Además, ya fue demostrado que combinación de TAC con un protocolo TMS con dibujos, como continua theta burst estimulación (cTBS), dio lugar a un efecto de mayor plasticidad cuando cTBS se aplicó en fase con el pico de la activación impuesta por TAC 28. por otra parte, considerando que la EMTr es utilizado como una herramienta clínica, su combinación con TAC podría conducir al desarrollo de un nuevo método clínico de neurorrehabilitación.

Aunque este artículo se centra en el estímulo de la M1, otras regiones corticales pueden orientarse utilizando este enfoque combinado. Sin embargo, sólo la estimulación del sistema motor humano puede llevar a los potenciales evocados motor medibles (MEPs) de los músculos periféricos en el lado contralateral que representa una señal compuesta de serie descendente córtico-espinal voleas con diferentes generadores29. Por otro lado, otras implementaciones de electrodo pueden ofrecer diferentes oportunidades para investigar efectos inter hemisféricas en línea mediante el uso de TAC bilateral concomitante sobre M1 izquierdo y derecho junto con TMS de pulso único. Además, puede utilizarse el enfoque TAC-TMS en línea a diferentes regiones corticales durante una tarea conductual por medir tiempos de reacción (RT) y la precisión. Por un lado, el enfoque de TAC-TMS ofrece una metodología libre de artefactos para la investigación de la motricidad humana; por otro lado, un enfoque TAC EEG puede ofrecer más posibilidades para el estudio de los correlatos neuronales de los diferentes procesos cognitivos apuntando a una variedad de áreas corticales, pero con un mayor número de artefactos dentro de las grabaciones de la señal.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por la Fundación rusa de la ciencia concesión (contrato número: 17-11-01273). Agradecimiento especial a Andrey Afanasov y colegas del centro multifuncional de la innovación técnica de televisión (Universidad Nacional de la investigación, escuela superior de economía, Moscú, Federación de Rusia) para grabación de vídeo y edición de vídeo.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BrainStim, high-resolution transcranial stimulator E.M.S., Bologna, Italy EMS-BRAINSTIM
Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodes E.M.S., Bologna, Italy EMS-CVBS15
Reusable conductive silicone electrodes 50x50mm E.M.S., Bologna, Italy FIA-PG970/2
Reusable spontex sponge for electrode 50x100mm E.M.S., Bologna, Italy FIA-PG916S
Rubber belts – 75 cm E.M.S., Bologna, Italy FIA-ER-PG905/8
Plastic non traumatic button E.M.S., Bologna, Italy FIA-PG905/99
Brainstim E.M.S., Bologna, Italy
MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulator MagVenture, Farum, Denmark 9016E0731
8-shaped coil MC-B65-HO-2 MagVenture, Farum, Denmark 9016E0462
Chair with neckrest MagVenture, Farum, Denmark 9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium edition Localite, GmbH, Germany 21223
Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi) Localite, GmbH, Germany 10226
MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1 Localite, GmbH, Germany 5221
Electrode wires for surface EMG  EBNeuro, Italy  6515
Surface Electrodes for EEG/EMG  EBNeuro, Italy  6515
BrainAmp ExG amplifier - bipolar amplifier  Brain Products, GmbH, Germany
 BrainVision Recorder 1.21.0004  Brain Products, GmbH, Germany
Nuprep Skin Prep Gel  Weaver and Company, USA
Syringes
Sticky tape
NaCl solution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Shpektor, A., Nazarova, M., Feurra,More

Shpektor, A., Nazarova, M., Feurra, M. Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (127), e55839, doi:10.3791/55839 (2017).

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