Summary
Een protocol voor geheugenverbetering met behulp van transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) gericht op dorsolaterale prefrontale en posterieure pariëtale cortices, als kern corticale knooppunten binnen hippocampo-corticale netwerk, wordt gepresenteerd. Het protocol is goed geëvalueerd in gezonde studies en is ook van toepassing op verouderings- en dementieonderzoek.
Abstract
Geheugenverbetering is een van de grote uitdagingen in cognitieve neurowetenschappen en neurorevalidatie. Onder verschillende technieken die worden gebruikt voor geheugenverbetering, komt transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) naar voren als een bijzonder veelbelovend hulpmiddel voor verbetering van geheugenfuncties op een niet-invasieve manier. Hier presenteren we een tDCS-protocol dat kan worden toegepast voor geheugenverbetering in studies met gezonde deelnemers en in verouderings- en dementieonderzoek. Het protocol maakt gebruik van zwakke constante anodale stroom om corticale doelen te stimuleren binnen het cortico-hippocampale functionele netwerk dat betrokken is bij geheugenprocessen. De doelelektrode wordt ofwel op de achterste pariëtale cortex (PPC) of de dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC) geplaatst, terwijl de retourelektrode extracraniaal wordt geplaatst (d.w.z. op de contralaterale wang). Daarnaast schetsen we een meer geavanceerde methode van oscillerende tDCS, waarbij we een natuurlijk hersenritme nabootsen om hippocampus-afhankelijke geheugenfuncties te bevorderen, die op een gepersonaliseerde en niet-gepersonaliseerde manier kunnen worden toegepast. We presenteren illustratieve resultaten van associatieve en werkgeheugenverbetering na enkele tDCS-sessies (20 minuten) waarin de beschreven elektrodemontages werden gebruikt met stroomintensiteiten tussen 1,5 mA en 1,8 mA. Tot slot bespreken we cruciale stappen in het protocol en methodologische beslissingen die moeten worden genomen bij het ontwerpen van een tDCS-studie over geheugen.
Introduction
Geheugen speelt een vitale rol in het dagelijks functioneren, omdat het iemand in staat stelt om informatie over mensen en plaatsen te onthouden, gebeurtenissen uit het verleden te herinneren, nieuwe feiten en vaardigheden te leren, evenals om oordelen en beslissingen te nemen. Hier richten we ons op twee soorten geheugen - werkgeheugen (WM) en associatief geheugen (AM). WM biedt ons de mogelijkheid om tijdelijk informatie te onderhouden en op te slaan voor voortdurende cognitieve verwerking1,terwijl AM ons in staat stelt om meerdere stukjes ervaring of informatie te onthouden die aan elkaar zijn gekoppeld. Daarom onderstrepen deze twee soorten geheugen bijna alle dagelijkse activiteiten. Helaas is het geheugen een van de meest kwetsbare functies omdat het afneemt met normale veroudering en als gevolg van verschillende pathologische toestanden en omstandigheden. Zowel WM - als AM-achteruitgang is prominent aanwezig bij milde cognitievestoornissen 2,3 en dementie4,5 en bij normaal ouder worden6,7. Aangezien geheugentekorten gepaard gaan met een hoge ziektelast niveau8,9 en de kwaliteit van leven aanzienlijk beïnvloeden10,11,12,13, is er een groeiende behoefte aan nieuwe benaderingen voor preventie en behandeling van geheugenverlies.
Transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) is een veelbelovend instrument om geheugendaling14 , 15,16aan te pakken en een beter begrip te krijgen van hersenfuncties in het algemeen17. tDCS is een niet-invasieve hersenstimulatietechniek die zwakke elektrische stromen (meestal tussen 1 mA en 2 mA) gebruikt om hersenactiviteit te moduleren door de prikkelbaarheid van neuronale membranen te beïnvloeden. De effecten van tDCS zijn polariteitsafhankelijk, zodat anodale stimulatie toeneemt terwijl kathodal de neuronale prikkelbaarheid vermindert. Namelijk, anodale tDCS verhoogt de kans op actiepotentiaal om te vuren door depolarisatie van neuronale membranen, waardoor spontane hersenactiviteit onder de anode18wordt vergemakkelijkt . Bovendien wordt aangetoond dat het effect van verhoogde activering niet gelokaliseerd blijft, maar de neiging heeft zich te verspreiden naar andere functioneel verbonden gebieden van het centrale zenuwstelsel. Van anodale tDCS wordt dus verwacht dat het cognitieve functies bevordert die afhankelijk zijn van gerichte hersengebieden en functioneel onderling verbonden hersengebieden, terwijl cathodal tDCS naar verwachting het tegenovergestelde effect zal hebben.
Het tDCS heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere hersenstimulatietechnieken: (1) tDCS is veilig, d.w.z. vormt geen gezondheidsrisico's en produceert geen negatieve structurele of functionele veranderingen op korte of lange termijn19; (2) tDCS wordt gekenmerkt door de hoogste verdraagbaarheid onder hersenstimulatietechnieken omdat het minimale ongemak veroorzaakt voor deelnemers in een vorm van een mild tintelend en jeukend gevoel onder de stimulerende elektroden20; (3) tDCS is kosteneffectief - de prijs van tDCS-apparaten en toepassing zijn tien tot honderd keer lager dan andere behandelingsopties, wat het aantrekkelijk maakt voor patiënten en gezondheidszorgsysteem; (4) tDCS is gemakkelijk te gebruiken en heeft daarom een hoog potentieel dat zelfs in thuisomgevingen kan worden toegepast, wat kan leiden tot een hogere naleving van patiënten en lagere kosten voor medisch personeel en faciliteiten.
De belangrijkste uitdagingen voor het gebruik van tDCS voor geheugenverbetering zijn het vinden van het optimale elektrodemontage- en stimulatieprotocol dat betrouwbare effecten op het geheugen zal produceren. Hier gebruiken we de term elektrodemontage om te verwijzen naar de configuratie en de posities van de elektroden (d.w.z. de plaatsing van de doel- en referentieelektrode (retourelektrode). Vanwege de aard van de elektrische velden is de referentie(retour)elektrode niet neutraal - het heeft de polariteit tegenovergesteld aan de doelelektrode - en kan dus ook biologische (neuromodulerende) effecten uitoefenen op het onderliggende neurale weefsel. Daarom is een zorgvuldige keuze van de referentie-elektrode essentieel om ongewenste extra effecten van de stimulatie te voorkomen.
Bij het gebruik van het term stimulatieprotocol verwijzen we naar de tDCS-parameters zoals de duur en de intensiteit van de stroom die wordt toegepast, evenals de manier waarop de huidige intensiteit in de loop van de tijd verandert (d.w.z. of de intensiteit constant is tijdens de stimulatie of veranderingen na een sinusvormige golfvorm met bepaalde amplitude en frequentie). Verschillende stimulatieprotocollen kunnen worden toegepast met dezelfde elektrodemontage en hetzelfde protocol kan worden gebruikt voor verschillende montages.
Om de montage van de elektroden te optimaliseren, kijken we naar de functierelevante hersengebieden en hoe de elektrische velden die worden geïnduceerd door verschillende posities van de elektroden die hersengebieden en de daaruit voortvloeiende cognitieve functies zouden beïnvloeden. Verschillende corticale en subcorticale structuren spelen een belangrijke rol in geheugenfuncties - waaronder gebieden van de frontale, temporale en pariëtale cortex. Namelijk, WM wordt ondersteund door een wijdverspreid neuraal netwerk dat dorsolaterale (DLPFC) en ventrale laterale prefrontale cortex (VLPFC), premotorische en aanvullende motorische cortices omvat, evenals posterieure pariëtale cortex (PPC)21. Voor AM en episodisch geheugen in het algemeen zijn structuren binnen de mediale temporale kwab essentieel22. Associatieve gebieden van de pariëtale, frontale en temporale cortices, met hun convergente paden naar de hippocampus, spelen echter ook een belangrijke rol. Vanwege de anatomische positie kan de hippocampus niet direct worden gestimuleerd met behulp van tDCS, en dus wordt de verbetering van hippocampus-afhankelijke geheugenfuncties gedaan met behulp van de corticale doelen met een hoge functionele connectiviteit met hippocampus zoals posterieure pariëtale cortex. Om deze redenen worden DLPFC en PPC het vaakst gebruikt als stimulatiedoelen om het geheugen te verbeteren. Positionering van de elektroden kan verder worden verfijnd op basis vanstroomstroommodellering 23 en gevalideerd in studies die tDCS combineren met neuroimagingtechnieken24.
Het meest gebruikelijke stimulatieprotocol is een constante anodale stroom van 1-2 mA die tussen de 10-30 minuten duurt. Het veronderstelde mechanisme achter dit protocol is dat de elektrode met een positieve lading de prikkelbaarheid van het onderliggende corticale weefsel zal verhogen, wat dan zal resulteren in verbeterde daaropvolgende geheugenprestaties. In tegenstelling tot de constante anodale tDCS, waarbij de huidige intensiteit gedurende de hele stimulatieperiode hetzelfde blijft, fluctueert in het oscillatoire tDCS-protocol de intensiteit van de stroom bij de gegeven frequentie rond een ingestelde waarde. Daarom moduleert dit type protocol niet alleen prikkelbaarheid, maar traint het ook neurale oscillaties van de relevante hersengebieden. Het is belangrijk op te merken dat voor zowel constante als oscillerende tDCS de elektroden dezelfde stroompolariteit behouden gedurende de hele duur van de stimulatie.
Hier presenteren we tDCS-montages die knooppunten binnen het fronto-parieto-hippocampale netwerk targeten om het geheugen te bevorderen - zowel WM als AM: specifiek twee elektrodemontages met de doelelektrode over links / rechts DLPFC of links / rechts PPC. Naast het constante anodale tDCS-protocol schetsen we een theta oscillerend tDCS-protocol.
Studie ontwerp
Voordat we een gedetailleerde handleiding geven over het gebruik van tDCS voor geheugenverbetering, zullen we een paar essentiële eigenschappen van het experimentele ontwerp schetsen die belangrijk zijn om te overwegen bij het plannen van een tDCS-studie over geheugen.
Schijncontrole
Om de effecten van tDCS op het geheugen te beoordelen, moet de studie schijngestuurd zijn. Dit impliceert dat in een van de experimentele omstandigheden het protocol lijkt op een echte stimulatiesessie, maar er wordt geen behandeling gegeven. Deze nep- of schijnsessie dient als referentiepunt om prestaties na echte tDCS te vergelijken en conclusies te effenen over de effectiviteit ervan. Gewoonlijk wordt in het schijnprotocol de stroom slechts voor een korte periode toegepast - meestal tot 60 seconden aan het begin en aan het einde van de schijnstimulatie als een ramp-up gevolgd door onmiddellijke ramp-down (d.w.z. fade-in / fade-out, elk tot 30 seconden). Op deze manier wordt ervoor gezorgd dat de duur van de stimulatie onvoldoende is om gedrags- of fysiologische effecten te produceren. Aangezien lokale huid/hoofdhuidsensaties meestal het meest uitgesproken zijn aan het begin en aan het einde van de stimulatie (als gevolg van veranderingen in de huidige intensiteit), zijn de sensaties die in alle protocollen worden geïnduceerd vergelijkbaar en moeilijk te onderscheiden25. Op deze manier wordt de deelnemer verblind over de vraag of de stimulatie echt is of niet, wat vooral belangrijk is in ontwerpen binnen het onderwerp.
Naast schijncontrole, om de specificiteit van de effecten van oscillerende protocollen te beoordelen, is het raadzaam om ook een actieve controleconditiete hebben. De actieve regeling voor het oscillatoire protocol kan bijvoorbeeld constante anodale stimulatie van dezelfde intensiteit26,27of oscillatoire stimulatie in verschillende frequenties zijn, bijvoorbeeld theta versus gamma28.
Binnen- of tussenonderwerpen ontwerp.
In binnen-onderwerpen ontwerp ondergaat elke deelnemer zowel echte als schijn tDCS, terwijl tussen-onderwerpen ontwerp één groep deelnemers echt ontvangt, en de andere groep sham tDCS ontvangt. Het belangrijkste voordeel van binnen-onderwerp ontwerp is een betere controle van onderwerp-specifieke verwarringen. Dat wil zeggen, individuele verschillen in anatomie en cognitieve vaardigheden kunnen het beste worden gecontroleerd voor wanneer elke deelnemer wordt vergeleken met zichzelf. Aangezien design binnen het onderwerp echter op cross-over wijze moet worden toegepast (d.w.z. de helft van de deelnemers ontvangt echte tDCS in de eerste sessie en schijn in de tweede sessie, terwijl de andere helft van de deelnemers sham first en real tDCS second ontvangt), is dit ontwerp mogelijk niet optimaal voor klinische en trainingsstudies, evenals studies waarbij meerdere tDCS-sessies gedurende opeenvolgende dagen betrokken zijn, omdat crossover-ontwerp kan leiden tot ongelijke basislijnen tussen crossover-armen. Daarom is het ontwerp binnen het onderwerp het beste geschikt bij het beoordelen van gedrags- of fysiologische effecten van een enkele tDCS-sessie en wanneer ongelijke basislijnen niet als een probleem voor de onderzoekshypothese worden beschouwd. Bij het ontwerpen binnen het onderwerp om de effecten van één tDCS-sessie te beoordelen, is het een goede gewoonte om 7 dagen tussen de echte en schijn-tDCS-sessie te houden om overdrachtseffecten te voorkomen (sommige studies suggereren echter dat zelfs kortere uitspoelperioden de resultaten29,30niet significant beïnvloeden) en parallelle vormen van geheugentaken te gebruiken in tegenwicht om trainings- en leereffecten tussen sessies te minimaliseren.
Wanneer tussen de proefpersonen ontwerp wordt gebruikt, moet de controlegroep zorgvuldig worden afgestemd op de basisprestaties, evenals andere relevante kenmerken waarvan bekend is dat ze relevant zijn voor de effectiviteit van tDCS. Willekeurige groepstoewijzing is mogelijk niet de beste aanpak in kleine steekproefgrootten (bijv. <100), omdat dit kan leiden tot suboptimale matching. In beide gevallen moeten de basisprestaties in statistische analyse worden verantwoord.
Steekproefgrootte.
Een van de veelgestelde vragen is "hoeveel deelnemers heb je nodig om tDCS-effecten te detecteren". Het antwoord op deze vraag hangt af van verschillende aspecten van de studie, waaronder experimenteel ontwerp, verwachte effectengroottes, type statistische analyse, enz. De steekproefgroottes in de hersenstimulatie-experimenten zijn vaak te klein, en er wordt geschat dat studies op dit gebied ongeveer 50% van de echte positieve resultaten missen omdat ze onderbemand zijn31. Vermogensanalyse maakt het mogelijk om voor elk specifiek experiment een adequate steekproefgrootte te bepalen op basis van het onderzoeksontwerp en de verwachte effectgrootte voor geplande statistische analyse. De vermogensanalyse kan worden uitgevoerd in de R-omgeving of met behulp van gratis gespecialiseerde software zoals G*Power32, en moet altijd a priori worden uitgevoerd (d.w.z. vóór het experiment). De stroom moet worden ingesteld op >,80 (idealiter .95) en de verwachte effectgrootte op geheugentaken na een enkele tDCS-sessie ligt meestal tussen .15-.20 (η2),d.w.z. Cohen f 0,42-0,50. Daarom moet men meestal in totaal 20-30 deelnemers inschrijven voor experimenten binnen het onderwerp en 30-40 deelnemers per groep voor een studie tussen de proefpersonen, om voldoende vermogen te bereiken en zo de type II-fout te verminderen. De steekproefgrootte is echter afhankelijk van het aantal andere factoren, waaronder de geplande analyse en de gevoeligheid van de gedragsmaatregelen die worden gebruikt. Daarom zou men idealiter een eerste experiment uitvoeren om de effectgrootten voor het specifieke ontwerp te begrijpen en die gegevens gebruiken als input voor vermogensanalyse. Het is echter belangrijk op te merken dat het uitvoeren van een proefexperiment op slechts een paar deelnemers zal leiden tot onjuiste en onbetrouwbare schattingen van de effectgroottes. Daarom is het beter om, als de middelen beperkt zijn, te vertrouwen op de eerdere studies met vergelijkbare resultaten, en een iets conservatievere benadering te volgen, d.w.z. door te schatten op iets kleinere effectgroottes dan in de literatuur wordt gerapporteerd.
Uitkomstmaten
Om de effectiviteit van tDCS op het geheugen te beoordelen, moet u adequate gedragstaken selecteren. In feite is de keuze van de geheugentaak een van de cruciale aspecten van het studieontwerp, omdat het vermogen om het tDCS-effect direct te detecteren afhangt van de gevoeligheid van de taak. De uitdaging hier is dat de meeste gestandaardiseerde geheugenbeoordelingstools of klassieke neuropsychologische taken mogelijk niet gevoelig genoeg zijn om tDCS-effecten in specifieke populaties te detecteren. Bovendien zijn de meeste gestandaardiseerde taken niet beschikbaar in twee of meer parallelle vormen en kunnen ze daarom niet worden gebruikt in ontwerpen binnen onderwerpen. Om die reden gebruiken de meeste tDCS-geheugenstudies aangepaste taken. Bij het ontwerpen of selecteren van uitkomstmaten moet men ervoor zorgen dat de taak: (1) focale/selectieve meting van de geheugenfunctie van belang is; (2) gevoelig (d.w.z. dat de schaal fijn genoeg is om zelfs kleine veranderingen te detecteren); (3) een uitdaging voor de deelnemers (d.w.z. dat de taakmoeilijkheden voldoende zijn en dus celeffecten voorkomen); (4) betrouwbaar (d.w.z. dat de meetfout zoveel mogelijk wordt geminimaliseerd). Daarom moet men empirisch gevalideerde strikt parallelle vormen van geheugentaken gebruiken, die een voldoende aantal proeven hebben - zowel om de gevoeligheid van de maatregel te garanderen als om de betrouwbaarheid ervan te maximaliseren. Idealiter moeten de taken vooraf worden getest op een groep die uit dezelfde populatie als de deelnemers aan het experiment is bemonsterd om ervoor te zorgen dat maximale prestaties niet haalbaar zijn en dat de taakformulieren gelijke moeilijkheidsgraden hebben. Ten slotte is het het beste om geautomatiseerde taken waar mogelijk te gebruiken, omdat ze een gecontroleerde duur en nauwkeurige timing mogelijk maken. Op deze manier kunnen onderzoekers ervoor zorgen dat alle deelnemers tegelijkertijd een geheugenbeoordeling ondergaan met betrekking tot de timing van stimulatie (tijdens of na tDCS). De duur van elke taak of taakblok mag niet langer zijn dan 10 minuten, om vermoeidheid en fluctuatie in aandachtsniveaus te voorkomen; de cognitieve beoordeling mag in totaal niet langer zijn dan 90 minuten (inclusief taken zowel tijdens als na tDCS).
Protocol
Deze procedure is goedgekeurd door de Commissie institutionele ethiek en is in overeenstemming met de verklaring van Helsinki en de richtsnoeren voor menselijk onderzoek.
1. Materialen
OPMERKING: Bereid voor elke tDCS-sessie de volgende materialen voor (Figuur 1).
- Verkrijg een tDCS-apparaat - gebruik alleen een batterijgestuurd tDCS-apparaat of een optisch geïsoleerd tDCS-apparaat met netvoeding. Het apparaat moet functioneren als een constante stroomstimulator met een maximale output die bij voorkeur beperkt is tot een paar milliampèrebereik. Het apparaat moet een wettelijke goedkeuring hebben voor menselijk gebruik.
- Verkrijg rubberelektroden - gebruik vierkante elektroden van 5 cm x 5 cm of 25 cm2 ronde elektroden. Deze elektroden hebben de stroomdichtheden tussen 0,06 mA/cm2 en 0,08 mA/cm2 voor stromen van respectievelijk 1,5 mA-2 mA.
- Maak sponszakken klaar die op de rubberelektroden passen. Als de sponszak te groot is, zal het contactoppervlak naar de huid toenemen.
- Bereid zoutoplossing (standaard 0,9% NaCl).
- Bereid alcohol (70%).
- Verkrijg een verstelbare siliconen dop - hoofdbanden kunnen ook worden gebruikt, maar EEG-siliconendoppen kunnen beter worden aangepast aan de grootte en de vorm van het hoofd van de deelnemers en zijn daarom comfortabeler voor het plaatsen van elektrodes.
- Verkrijg meetlint (flexibel; kunststof of lint).
- Verkrijg een huidmarker - huidmarkerpotloden of verschillende make-upproducten (bijv. oogpotlood of oogschaduwkrijt), hoe laterer het nog handiger kan zijn omdat ze dermatologisch zijn getest en gemakkelijk verwijderbaar zijn.
- Verkrijg wattenschijfjes.
- Verkrijg kam en mini-siliconen haarbanden voor eenmalig gebruik.
- Verkrijg een spuit of plastic pipet.
- Stel een protocolblad op - vul formulier in voor basisinformatie over de sessie, d.w.z. deelnemers-ID, studie-ID, datum, tijden, notities, enz. (zie bijlage voor een voorbeeld).
- Bereid een tabel voor met vooraf berekende hoofdmetingen om te helpen bij de plaatsing van elektroden.
OPMERKING: Om het proces te versnellen en de kans op fouten te verkleinen, is het raadzaam om deze tabel van tevoren klaar te hebben. De meting is gebaseerd op 10-20 EEG-elektrodeplaatsingssysteem; de waarden die voor berekeningen worden gebruikt, zijn nasion-inion/left-right-preauricular distances (zie hieronder). De tabel geeft 20% waarden voor een bereik van afstandswaarden. We hebben het het handigst gevonden om de tabel in het protocolblad (bijlage) te laten insluiten. - Vragenlijsten voorbereiden. Verzamel voor elke sessie gegevens over sensaties en bijwerkingen voor en na tDCS; sensaties en het niveau van (on)aangenaamheid tijdens tDCS; stemming en algemene subjectieve toestand, d.w.z. frisheid/vermoeidheid.
Figuur 1: Materialen voor tDCS-experiment (zie tekst voor details). 1) tDCS-apparaat; 2) elektroden; 3) sponzen; 4) zoutoplossing; 5) alcohol; 6) siliconen dop; 7) meetlint; 8) huidpotlood; 9) wattenschijfjes; 10) kammen en siliconen haarbanden; 11) spuit Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
2. Stimulatieprotocollen programmeren
OPMERKING: Exacte stappen in het programmeren van het tDCS-protocol verschillen per tDCS-systeem/apparaat. Alle tDCS-apparaten bieden echter basisfuncties - de mogelijkheid om constante stroom te produceren met de gewenste stimulatie-intensiteit, de mogelijkheid om geleidelijk op en neer te gaan en een methode om de duur van de stimulatie in te stellen. De meer geavanceerde protocollen zoals theta-oscillatoire tDCS vereisen apparaten/systemen die op maat gemaakte stimulatieprotocollen mogelijk maken.
- Constante anodale tDCS
- Definieer het standaard constante anodale tDCS-protocol (figuur 2A) als: (1) fade-in periode van 30 seconden, wanneer de huidige intensiteit geleidelijk wordt verhoogd van 0 mA naar de doelintensiteit (we gebruiken meestal 1,5 mA, maar andere intensiteiten kunnen ook worden gebruikt, op voorwaarde dat ze binnen de veiligheidslimieten blijven); 2) stimulatieperiode waarin de constante stroom van de doelintensiteit (bv. 1,5 mA) wordt gezonden; en (3) fade-out periode van 30 seconden wanneer de huidige intensiteit geleidelijk wordt verlaagd tot 0 mA.
Figuur 2: tDCS-protocollen: (A) Constante anodale tDCS; B) Theta oscillerende tDCS; (3) Schijn tDCS. Fade in periode is oranje gemarkeerd; fade-out periode is groen gemarkeerd. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
- Theta oscillerende tDCS
- Theta-oscillatoire tDCS levert stroom van verschillende intensiteit, maar schakelt niet van polariteit (figuur 2B). Definieer daarom de golfvorm waarin de stroom wordt geleverd als volgt: (1) fade-in periode van 30 seconden, wanneer de stroomintensiteit geleidelijk wordt verhoogd van 0 mA naar de doelintensiteit (bijv. 1,5 mA); (2) de stimulatieperiode van 19 minuten waarin de stroom rond de doelintensiteit schommelt binnen een vooraf gedefinieerd amplitudebereik (we gebruiken oscillaties van ± 0,5 mA van de doelintensiteit) in een geselecteerde frequentie (we gebruiken meestal 5 Hz-frequentie als representatief voor het thetaritme); en (3) fade-out periode van 30 seconden om de huidige intensiteit op 0 mA te brengen.
OPMERKING: Dit protocol kan worden gegenereerd door elke experimentele besturingssoftware (bijv. CED-signaal) en worden geleverd via een intelligente interface (bijv. CED 1401-reeks apparaten) die compatibel is met het te gebruiken tDCS-apparaat. Sommige meer geavanceerde speciale transcraniële elektrische stimulatiesystemen (tES) naast tDCS kunnen ook wisselstroom (tACS) en willekeurige ruisstimulatie (tRNS) leveren. Ze kunnen ook worden gebruikt om het oscillerende tDCS-protocol te genereren. In StarStim wordt het theta-oscillatoire tDCS-protocol bijvoorbeeld gedefinieerd als een lineaire combinatie van tDCS (1,5 mA) en tACS (±0,5 mA, 5 Hz). Dit type protocol kan worden gepersonaliseerd in die zin dat niet alle deelnemers oscillatoire stimulatie ontvangen in dezelfde frequentie (d.w.z. 5 Hz), maar dat de frequentie wordt aangepast aan de dominante frequentie binnen de thetaband voor elke persoon (bijv. Persoon 1: 5 Hz, Persoon 2: 6 Hz, Persoon 3: 4,5 Hz, enz.).
- Theta-oscillatoire tDCS levert stroom van verschillende intensiteit, maar schakelt niet van polariteit (figuur 2B). Definieer daarom de golfvorm waarin de stroom wordt geleverd als volgt: (1) fade-in periode van 30 seconden, wanneer de stroomintensiteit geleidelijk wordt verhoogd van 0 mA naar de doelintensiteit (bijv. 1,5 mA); (2) de stimulatieperiode van 19 minuten waarin de stroom rond de doelintensiteit schommelt binnen een vooraf gedefinieerd amplitudebereik (we gebruiken oscillaties van ± 0,5 mA van de doelintensiteit) in een geselecteerde frequentie (we gebruiken meestal 5 Hz-frequentie als representatief voor het thetaritme); en (3) fade-out periode van 30 seconden om de huidige intensiteit op 0 mA te brengen.
- Schijn tDCS
- Gebruik een schijnprotocol met dezelfde duur als constante/oscillerende tDCS (figuur 2C). Definieer het namelijk als: (1) eerste fade in/out periode waarin de stroom geleidelijk wordt opgevoerd tot doelintensiteit (bijv. 1,5 mA) en geleidelijk wordt opgevoerd tot 0 mA gedurende de eerste 60 seconden (2) 18 minuten van 0 mA, en (3) de tweede fade in/out periode die opnieuw 60 seconden duurt.
OPMERKING: Een alternatieve aanpak zou zijn om een zeer lage stroomintensiteit te gebruiken gedurende de hele stimulatieperiode (20 min). Dit type schijnprotocol is hetzelfde geprogrammeerd als de anodale stimulatie (alleen de huidige intensiteit is ingesteld op (0,1 mA) en is ontworpen om cutane sensaties te produceren, maar de intensiteit is te week om fysiologische effecten te produceren33.
- Gebruik een schijnprotocol met dezelfde duur als constante/oscillerende tDCS (figuur 2C). Definieer het namelijk als: (1) eerste fade in/out periode waarin de stroom geleidelijk wordt opgevoerd tot doelintensiteit (bijv. 1,5 mA) en geleidelijk wordt opgevoerd tot 0 mA gedurende de eerste 60 seconden (2) 18 minuten van 0 mA, en (3) de tweede fade in/out periode die opnieuw 60 seconden duurt.
3. Plaatsing van de elektrode (figuur 3)
- Montage van de DLPFC-elektrode: Plaats voor stimulatie van de DLPFC de doelelektrode (anodale) op F3 (links) of F4 (rechts) van het internationale 10-20 EEG-systeem. Plaats de retourelektrode (kathodaal) op de contralaterale wang - d.w.z. rechterwang voor F3-anode en linkerwang voor F4-anode.
- MONTAGE VAN PPC-elektrodes: Plaats voor stimulatie over PPC de doelelektrode (anodale) op P3 (links) of P4 (rechts) van het internationale 10-20 EEG-systeem. Plaats de retourelektrode (kathodaal) op de contralaterale wang op dezelfde manier als bij DLPFC-montage.
- De plaatsing van de doelelektrode
- F3 op het hoofd van de deelnemers vinden
- Gebruik het meetlint om de afstand tussen nasion (het diepste punt van de neusbrug) en inion (het meest uitgesproken punt van de externe occipitale uitsteeksel) over de bovenkant van het hoofd te meten. Markeer de halve afstand met de huidmarker met een dunne lijn.
- Meet de afstand tussen de oren (gebruik preauricular punten als verwijzingen) die over de bovenkant van het hoofd gaan en markeer de halve afstand met een dunne lijn.
- Zoek het hoekpunt of de centrale positie van de middellijn, Cz genoemd, op de snijpunten van de twee middellijnen. Markeer het duidelijk met de huidmarker.
- Meet opnieuw de nasion-inion afstand, maar deze keer gaan over Cz, en noteer de afstand als maat A. Meet opnieuw de afstand tussen de oren, deze keer gaan over Cz, en noteer de afstand als maat B.
- Bereken 20% van afstand A en 20% van afstand B (of zie Protocolblad voor vooraf berekende waarden).
- Beweeg 20% van afstand A naar voren van Cz langs de nasion-inion lijn om Fz (midline frontaal) te bereiken en markeer de plek.
- Beweeg 20% van afstand B naar links van Cz langs de inter-auricular lijn om C3 (links centraal) te bereiken en markeer de plek.
- Beweeg 20% naar voren vorm C3 (parallel met de nasion-inion lijn), en 20% naar links vorm Fz (parallel aan de inter-auricular lijn), om F3 te bereiken op de kruising. Markeer F3 met de huidmarker en plaats het midden van de elektrode op de plaats.
- Volg dezelfde procedure alleen aan de rechterkant van het hoofd om F4te lokaliseren.
- P3 op het hoofd van de deelnemers vinden
- Volg de stappen 3.3.1.1-3.3.1.5 zoals hierboven beschreven (zoek Cz, noteer afstand A en B, bereken 20%).
- Beweeg 20% van afstand A achteruit van Cz langs de nasion-inion om Pz (midline pariëtal) te bereiken en de plek te markeren.
- Beweeg 20% van afstand B naar links van Cz langs de inter-auricular lijn om C3 te bereiken en de plek te markeren.
- Beweeg 20% naar achteren van C3 (parallel aan de nasion-inion lijn), en 20% naar links van Pz (parallel aan de inter-auricular lijn), om P3 te bereiken op hun kruising. Markeer P3 met de huidmarker en plaats het midden van de elektrode op de plek.
- Om P4te lokaliseren, volgt u dezelfde procedure alleen aan de rechterkant van het hoofd.
- F3 op het hoofd van de deelnemers vinden
- Plaatsing van de elektrode retourneren
- Nadat u de doelelektrode met de verstelbare siliconendop hebt vastgemaakt (zie stapsgewijze procedure), plaatst u de retourelektrode onder de kinband om het contact van de elektrode met de contralaterale wang vast te zetten.
Figuur 3: Plaatsingsschema voor elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
4. Stapsgewijze procedure
- Vóór de tDCS-sessie
- Controleer of elke deelnemer voldoet aan de inclusiecriteria zoals gedefinieerd in ethische goedkeuring voor het onderzoek (zie aanhangsel voor de meest voorkomende inclusie-/uitsluitingscriteria).
- Vraag de deelnemer om het informatieblad van de deelnemer in te vullen (inclusief alle relevante informatie zoals leeftijd, geslacht, nicotine-/alcoholgebruik, enz.34).
- Volg de ethische richtlijnen van de institutionele beoordelingscommissie en vraag de deelnemer om geïnformeerde toestemming te ondertekenen. Maak van deze gelegenheid gebruik om de basisaspecten van de procedure die ze zullen ondergaan uit te leggen en eventuele vragen van de deelnemers te beantwoorden.
- Afhankelijk van het onderzoeksontwerp, voert u cognitieve basisbeoordelingen uit (geheugen en/of andere cognitieve functies).
- tDCS-opstelling en -stimulatie
- Plaats de deelnemer comfortabel in een stoel.
- Vraag de deelnemer om de checklist voor pre-tDCS-sensaties in te vullen en te rapporteren over de algehele toestand (d.w.z. de huidige stemming; frisheid / vermoeidheid - deze kunnen worden beoordeeld als een enkel Likert-type item of met behulp van gestandaardiseerde vragenlijsten zoals Brief Mood Introspection Scale35).
- Neem hoofdmetingen met behulp van een meetlint.
- Volg voor het lokaliseren van de DLPFC of PPC de hierboven beschreven procedure (plaatsing van de elektrode). Noteer de maatregelen in het protocolblad voor elke deelnemer. Deze kunnen worden gebruikt om te controleren bij het uitvoeren van metingen in volgende sessies.
- Om de geleiding te vergroten, verplaatst u het haar van de deelnemer van de stimulatieplaats (gebruik kam en haarbanden voor deelnemers met lang haar).
- Controleer op tekenen van huidbeschadiging op de plaats van stimulatie. Plaats elektroden niet over een beschadigde huid.
- Reinig het oppervlak van de huid waar elektroden worden geplaatst met met alcohol doordrenkte wattenschijfjes om vet, vuil, enz. te verwijderen en laat het drogen (gebruik een make-upverwijderingsproduct als de deelnemer zware make-up op de wang heeft).
- Doe de siliconen dop op het hoofd van de deelnemer en zet deze vast met de kinband. Maak de dop niet strak (dit zal later gebeuren).
- Week de sponszakken met zoutoplossing en plaats de elektroden erin. De sponzen moeten vochtig zijn, maar niet druipen; meestal is 10-15 ml zoutoplossing per spons voldoende. Als de sponzen te droog zijn, zal dit een hoge weerstand veroorzaken en resulteren in een slechte geleidbaarheid, zelfs het verliezen van de circuitverbinding.
OPMERKING: De meeste tDCS-apparaten hebben de weerstandsindicatoren; de sponzen moeten echter af en toe op vocht worden geïnspecteerd. Aan de andere kant, als de sponzen te nat zijn, kan dit ervoor zorgen dat de stroom tijdens stimulatie over het hoofd verschuift. Het wordt aanbevolen om sponzen medium nat te hebben en een spuit te gebruiken om meer zoutoplossing toe te voegen tijdens het experiment als de sponzen te droog worden. - Plaats de sponselektrode onder de siliconenbanden en plaats het midden van de doelelektrode op de gemarkeerde koplocatie. Plaats de retourelektrode op de contralaterale wang. Gebruik de siliconen bandjes om de dop aan te passen aan de hoofdgrootte en vorm van de deelnemer. De dop moet strak zitten zodat de elektroden niet kunnen bewegen, maar toch comfortabel voor de deelnemer.
- Schakel de stimulator in, selecteer en voer het vooraf gedefinieerde tDCS-protocol uit (actieve anodale stimulatie of schijn).
- Vraag de deelnemer om te ontspannen en laat hem of haar vertellen hoe hij zich voelt tijdens de eerste paar minuten van stimulatie (1-3 minuten). Leg uit dat de sensaties langzaam zullen vervagen als ze eraan wennen of wanneer ze hun aandacht beginnen te richten op een andere activiteit.
- Gebruik lichte cognitieve betrokkenheid tijdens tDCS om ongestructureerde activiteiten te voorkomen die de stimulatie-effecten kunnen verstoren. Deelnemers kunnen bijvoorbeeld oefenproeven van cognitieve taken uitvoeren of deelnemen aan eenvoudige geheugenspellen tijdens stimulatie (beginnend na 3-5 minuten stimulatie). Dit type cognitieve betrokkenheid tijdens stimulatie heeft het potentieel om tDCS-effecten te bevorderen en zal deelnemers helpen om de geest van de tDCS-geïnduceerde huidsensaties af te houden.
- Vraag de deelnemer om te melden hoe hij zich meerdere keren voelt tijdens stimulatie (bijv. om het niveau van onaangenaamheid te melden op een 10-puntsschaal elke 5 minuten stimulatie, 1 - volledig afwezig, 10 - zeer intensief). Hogere niveaus van onaangenaamheid (>6) konden worden verwacht tijdens fade-in fade-out periodes bij sommige deelnemers. Als het niveau van onaangenaamheid na 5 minuten hoog blijft, breekt u de stimulatie af.
- Nadat de vooraf gedefinieerde protocol uitvoering is verstreken, schakelt u de stimulator uit.
- Verwijder eerst de sponselektroden en verwijder vervolgens de siliconendop.
- Vraag de deelnemer om de checklist voor post-tDCS-sensaties in te vullen en te rapporteren voor eventuele bijwerkingen die nog niet zijn vermeld.
- Reinig de huid op de plaatsen waar deze is gemarkeerd en inspecteer de huid op eventuele veranderingen. Als er een huidreactie is (bijv. lokale vasodilatatie, d.w.z. roodheid van de huid op de wang), controleer dan hoe deze vervaagt, omdat het meestal een voorbijgaande reactie is bij deelnemers met een gevoelige huid en binnen 10-15 minuten moet verdwijnen.
- Geheugenbeoordeling
- Als u de beoordeling tussen deelnemers wilt standaardiseren, gebruikt u geautomatiseerde beoordelingstools, d.w.z. geheugentaken met automatische score. Verschillende WM-taken (bijv. verbale en ruimtelijke 3-back-taak) en AM-taken (verbaal gekoppeld leren; face-word cued recall, objectlocatie, enz.) zijn hier te vinden: https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408
- Om de specificiteit van tDCS-effecten op het geheugen te evalueren, is het raadzaam om controletaak(en) op te nemen, d.w.z. taken die op een andere cognitieve of motorische functie tikken.
- Einde van de experimentele sessie/studie
- Vraag de deelnemer na de (laatste) experimentele sessie in het onderzoek om te proberen de sessies te raden waarin ze echte en schijnstimulatie hebben gekregen. Noteer alle reacties en kijk of de verkregen verhoudingen hoger zijn dan de kanskans. Zo niet, dan was de verblinding succesvol. Als deelnemers in staat waren om echte van schijnstimulatie te onderscheiden, analyseer dan de gegevens voor degenen die correct raadden en degenen die niet controleerden of de mislukte verblinding de tDCS-effecten beïnvloedde.
- In overeenstemming met ethische richtlijnen debriefen de deelnemers in detail nadat hun betrokkenheid is voltooid.
- Na de experimentele sessie
- Was de sponzen met stromend water en zeep zodat de zoutoplossing volledig is weggespoeld. Laat de sponzen volledig drogen voordat u ze opgeborgen.
- Gebruik warm water en alcohol om alle herbruikbare materialen, waaronder kam, siliconendop en meetlint, schoon te maken.
- Maak aantekeningen over alle ongewone, onverwachte of ongeplande gebeurtenissen die zich tijdens de sessie hebben voorgedaan - inclusief eventuele storingen in de apparatuur, relevante opmerkingen van de deelnemer, onderbrekingen, enz.
Representative Results
Het beschreven protocol is met succes gebruikt om de geheugenprestaties te verbeteren in verschillende studies in ons laboratorium. Soortgelijke protocollen zijn echter ook in andere onderzoekslaboratoria gebruikt (zie bijvoorbeeld36,37).
Als het gaat om werkgeheugen, hebben onze resultaten aangetoond dat 20 minuten rechts frontale tDCS (F4-locatie; constante stroom van 1,8 mA) verbeterde verbale WM, terwijl hetzelfde stimulatieprotocol toegepast op de linker pariëtale cortex (P3-locatie) resulteerde in betere ruimtelijke WM-prestaties. Daarentegen werden geen significante effecten gevonden wanneer hetzelfde stimulatieprotocol werd toegepast op de linker frontale (F3) en rechter pariëtale (P4) cortices. Figuur 4 toont de representatieve resultaten van de modellering van het door tDCS gegenereerde elektrische veld en de prestatiemetingen na actief en schijn-tDCS op basis van de gegevens gerapporteerd in Živanović et al., 202138.
Figuur 4: (A) Effecten van constante anodale tDCS van linker PPC (P3-contralaterale wangmontage) op de prestaties van het ruimtelijk werkgeheugen (ruimtelijke 3-back taak); (B) Effecten van constante anodale tDCS van rechtse DLPFC (F4-contralaterale wangmontage) op verbale WM-prestaties (verbale 3-back taak). De figuur toont simulatie van elektrische velden geïnduceerd door tDCS, overzicht van de taakproeven en de prestaties binnen de proefpersonen in actieve en schijnconditie (de waarden zijn gecentreerd op de volgorde van de sessie om rekening te houden met tegenwicht, d.w.z. positieve waarden geven bovengemiddelde prestaties aan, terwijl negatieve waarden wijzen op ondergemiddelde prestaties tijdens de sessie). De simulatie van lokale elektrische velden gegenereerd door de elektrodeopstelling wordt uitgevoerd met comets2 MATLAB toolbox 41. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
De effecten van pariëtale tDCS op het associatieve geheugen zijn consistent en robuust geweest. Dat wil zeggen, in de reeks experimenten binnen het onderwerp hebben we aangetoond dat 20 minuten tDCS over links PPC (P3-locatie; constante stroom van 1,5 mA) het geheugen verbetert voor gezichts-woordassociaties27,39,40. Figuur 5 toont representatieve taken en resultaten. Bovendien werden vergelijkbare effecten waargenomen op am-taak die de objectlocatiekoppelingen beoordeelt wanneer de juiste PPC (P4-locatie) wordt gestimuleerd met behulp van hetzelfde constante tDCS-protocol40.
Figuur 5: Effecten van constante anodale tDCS van linker PPC (P3-contralaterale wangmontage) op associatieve geheugenprestaties (A) Face-word pairs taak; (B) Effecten van constante anodale tDCS van linker PPC (P3-contralaterale wangmontage) op associatieve geheugenprestaties (aandeel correct teruggeroepen woorden op cue). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
De meer geavanceerde protocollen zoals theta-oscillatory tDCS zijn minder uitgebreid bestudeerd, maar de studie door Lang en collega's26 en recente studie uitgevoerd in ons laboratorium27 toonde verbetering in face-word AM na theta-oscillatory tDCS protocol in vergelijking met schijn. De geanimeerde figuur toont simulatie van het elektrische veld geïnduceerd door theta oscillerende tDCS over links PPC.
Video 1. Klik hier om deze Video te downloaden.
Een aanhangsel. Klik hier om deze bestanden te downloaden.
Discussion
De uitkomst van het tDCS-onderzoek naar het geheugen hangt af van het aantal factoren, waarvan sommige, zoals homogeniteit/heterogeniteit van de steekproef, voldoende statistische kracht, de moeilijkheid van de geheugentaken en motivatie van de deelnemers eerder zijn besproken (zie Berryhill, 2014). Verscheidene uitstekende documenten over tDCS methode, evenals meer algemene tutorials over de toepassing van tDCS om cognitieve functies te bestuderen zijn beschikbaar en kunnen ook goed op het geheugenonderzoek worden toegepast (zie17,43,44,45,46,47). Hier zullen we ons richten op de aspecten van het protocol die, op basis van onze ervaring, relevant zijn, maar vaak over het hoofd worden gezien of elders niet voldoende gedetailleerd worden besproken.
Plaatsing van de retourelektrode. Het is belangrijk om in gedachten te houden dat de retourelektrode geen passieve maar negatief-polariteitsterminal is (d.w.z. kathode). Daarom kan het fysiologische effecten veroorzaken die tegenovergesteld zijn aan de doelelektrode. Bovendien hangt de stroomstroom evenzeer af van de positionering van het rendement als van de doelelektrode. Bovendien, aangezien de stroom langs het pad van de minste weerstand stroomt, als de anode en kathode zich te dicht bij elkaar bevinden, kan de stroom alleen over het huidoppervlak en/ of door de cerebrospinale vloeistof tussen de elektroden stromen, waardoor het corticale weefsel onaangetast blijft. Om deze redenen is de zorgvuldige keuze van de retourelektrode net zo relevant als de positie van de doelelektrode. Er is meta-analytisch bewijs dat suggereert dat extracraniële kathoden eerder significante effecten zullen hebben48. Positionering van de retourelektrode op contralaterale wang voor geheugenverbetering was gebaseerd op stroommodellering en geselecteerd om potentiële verstorende effecten van het genereren van negatieve polariteit over functie-irrelevante hersengebieden te voorkomen. De positionering van de retourelektrode op de contralaterale wang is met succes gebruikt in eerdere WM-studies (zie36,37,38,49, evenals in AM-studies27,39,40), en is benadrukt als een goede keuze voor tDCS-montages die erop gericht zijn ook andere cognitieve functies te moduleren45.
Verblindend. Bij enkelvoudige blinde experimenten moet, om verblinding van de deelnemer te garanderen, de positie van de stimulator en/of het bewakingsdisplay uit het zicht van de deelnemer zijn. Dit is vooral belangrijk bij het gebruik van stimulators met lampjes die aangeven wanneer het apparaat aan staat en/of stroom levert. Voor dubbelblinde ontwerpen (wanneer zowel deelnemer als experimenteerder niet op de hoogte zijn van het protocol dat wordt toegediend), moet men de dubbelblinde optie gebruiken, of een vergelijkbare optie die beschikbaar is voor een bepaald apparaat. Als een dergelijke optie niet beschikbaar is, is het goed om een procedure voor twee experimenten te hebben. Dat wil zeggen, de ene experimenteerder komt alleen om het stimulatieprotocol uit te voeren, terwijl de andere experimenteerder die de deelnemer door het experiment leidt, inclusief de daaropvolgende geheugentaak en de gegevens analyseert, de ruimte vlak voor en tijdens de stimulatie verlaat. Volgens methodologische normen hebben dubbelblinde experimenten de voorkeur boven de enkelblinde ontwerpen omdat ze de bias of de "experimenter"-effecten verminderen. Dit is zeer relevant bij het uitvoeren van klinische studies en/of het gebruik van de op interviews gebaseerde beoordelingen van cognitieve functies. Blindering van de experimenteerder is echter minder een probleem wanneer deelnemers zeer gemotiveerd zijn om hun prestaties te maximaliseren (wat meestal het geval is bij geheugenbeoordeling of cognitieve verbetering in het algemeen), en wanneer de taak wordt beheerd en automatisch wordt gescoord (d.w.z. wanneer de experimenteerder weinig tot geen interventie heeft in de beoordelingsfase).
Activiteit tijdens tDCS. Auteurs van tDCS-artikelen rapporteren zelden over wat de deelnemers deden tijdens stimulatie. Wanneer de activiteit niet wordt gerapporteerd, wordt meestal geïmpliceerd dat de deelnemers werden geïnstrueerd om comfortabel te zitten en te ontspannen. De afwezigheid van gestructureerde activiteit is echter de bron van het oncontroleerbare "lawaai" in de experimenten. Namelijk, 20 minuten is vrij lang, dus sommige deelnemers kunnen de tijd gebruiken om te ontspannen (met de mogelijkheid om zelfs in slaap te vallen), terwijl anderen zich kunnen concentreren op tDCS-sensaties of beginnen te herkauwen of overmatig nadenken over sommige tDCS niet-gerelateerde onderwerpen. Er zijn aanwijzingen dat functierelevante maar niet vermoeiende activiteiten die tijdens tDCS worden uitgevoerd , tDCS-effecten kunnen bevorderen50. Om deze redenen voeren deelnemers in onze experimenten ofwel oefenproeven uit van de geheugentaken die moeten worden gebruikt als uitkomstmaten of vergelijkbare geheugentaken. Oefenproeven zijn een goede keuze omdat ze dezelfde neurale netwerken gebruiken als de doelfunctie, maar gemakkelijker zijn en daarom niet frustrerend of vermoeiend voor de deelnemers. Daarnaast is het uitvoeren van oefenproeven tijdens stimulatie economisch in die zin dat het de testtijd na tDCS verkort, wat een voordeel is, vooral wanneer het studieontwerp meerdere taken omvat die na tDCS moeten worden voltooid. De oefenproeven zijn echter meestal veel korter dan 20 minuten, dus er moet ook alternatieve activiteit worden gepresenteerd. Voor dit doel hebben we gemeenschappelijke geheugenspellen40gebruikt, die de deelnemers gefocust houden, hen helpen de tijd door te komen en de geest van de door tDCS veroorzaakte sensaties afhouden en ze over het algemeen comfortabeler maken in de testomgeving. Een paar dingen om in gedachten te houden bij het kiezen van de geheugentaak die tijdens tDCS moet worden uitgevoerd, zijn dat de taak niet moeilijk moet zijn, maar ook niet saai (adaptieve taken met een slagingspercentage van 80% zijn in deze context goed); de taak mag niet het materiaal hebben dat de daaropvolgende geheugenbeoordeling kan verstoren (bij het beoordelen van geheugen voor gezichten en woorden kan men bijvoorbeeld abstracte afbeeldingen/vormenparen gebruiken). Een ander belangrijk punt is de duur van de "gewentijde periode", d.w.z. hoe lang na het begin van de stimulatie moeten deelnemers beginnen met het uitvoeren van de "afleidingsactiviteit". Er zijn individuele verschillen in de intensiteit van de sensatie- en gewentijde tijden, maar de meerderheid van de deelnemers zal klaar zijn om de activiteit te starten na 3-5 minuten stimulatie.
Huidsensaties. Sommige deelnemers kunnen gevoeliger zijn voor cutane tDCS-effecten, waardoor verhoogde niveaus van ongemak worden gemeld, hoewel dit niet vaak gebeurt. Het is belangrijk om deelnemers te informeren over mogelijke sensaties die ze voorafgaand aan het experiment kunnen ervaren. Als iemand bang is voor de procedure, laten we deelnemers vaak de stroming op hun hand "voelen" voordat ze de sponzen op hun hoofd leggen. De deelnemers moeten voortdurend worden gevolgd en gevraagd om regelmatig feedback te geven over hun niveau van comfort en sensaties. Als de deelnemer een verhoogd ongemak meldt, moet u altijd aanbieden om het experiment af te breken. Het is essentieel dat de deelnemers zich ervan bewust zijn dat de stimulatie op elk moment kan worden gestopt als ze erom vragen. Als de deelnemer besluit de stimulatie te stoppen, moet de stroom langzaam worden uitgeschakeld (abrupte annulering van het stimulatieprotocol kan nog sterkere sensaties veroorzaken). Het wordt vaak aanbevolen dat in het geval van onaangename sensaties de huidige intensiteit tijdelijk wordt verlaagd tot het hoogste comfortabele niveau, totdat de deelnemer zich aanpast en vervolgens geleidelijk terugkeert naar de doelintensiteit. Dit lijkt een geschikt alternatief voor het stoppen van het stimulatieprotocol, vooral als tDCS in klinische setting wordt gebruikt. Wanneer tDCS echter wordt gebruikt voor onderzoeksdoeleinden, en vooral in relatief kleine monsters, is het essentieel dat alle deelnemers dezelfde procedure ondergaan. Daarom heeft het stoppen van het experiment de voorkeur boven het verlagen van de intensiteit van de stimulatie voor sommige deelnemers voor enige tijd.
Rapportage van tDCS-methodologie en monitoring op mogelijke confounds. Het tDCS-onderzoeksveld is zeer heterogeen met betrekking tot methoden en maatregelen, dus het is belangrijk om alle aspecten van de tDCS-procedure duidelijk te rapporteren, inclusief verblindingsprocedure en beoordeling; de hoofdpositionering van het doel en de positie van de retourelektrode; de grootte en vorm van de elektroden; type gebruikte geleidende stof (zoutoplossing of gel); de huidige intensiteit (mA) en dichtheid (mA/cm2)en de duur van de fade-in/out-periode; de impedantieniveaus indien gemeten; de duur van de stimulatie (inclusief de fade-in/out periode); het gedetailleerde verslag van de activiteiten die deelnemers tijdens de stimulatie hebben verricht; de timing en de duur van de cognitieve taken na de stimulatie (inclusief pauzes, indien aanwezig). Dit soort informatie vergemakkelijkt de normalisatie en systematische analyse van de gepubliceerde studies (zie recent overzicht bijvoorbeeld51). De aspecten waarover zelden wordt gerapporteerd, zijn het effect van potentieel modererende / verwarrende variabelen zoals het tijdstip van de dag van de tDCS-sessie, het niveau van vermoeidheid / stemming gerapporteerd door de deelnemers, het succes van verblinding (d.w.z. overtuigingen over het type stimulatie dat ze ontvangen), de volgorde van experimentele sessies in ontwerpen binnen het onderwerp, enz. De meeste van deze variabelen zijn gemeld om de effecten van tDCS te moduleren, maar hun effect blijft onderbelicht en inconsistent gerapporteerd. Daarom moeten tDCS-studies ervoor zorgen dat eventuele verstorende variabelen worden verzameld en rapporteren; voor meer informatie over goede praktijken zie de tabellen 10A, 10B, 11 van Antal en collega's34.
Toepassing van het beschreven protocol voor anodale tDCS in zijn standaard of, nog meer, in zijn geavanceerde vorm (d.w.z. oscillerisch gemoduleerde tDCS) biedt niet alleen een gemiddelde voor verbetering van geheugenfuncties (en prospectief gebruik in klinische populaties), maar maakt ook onderzoek mogelijk naar de neurobiologie van de functionele neurale netwerken achter deze functies.
Disclosures
Auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen om openbaar te maken
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door het Wetenschapsfonds van de Republiek Servië, PROMIS, grant no. #6058808, MEMORYST
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adjustable silicone cap | |||
| Alcohol | |||
| Comb | |||
| Cotton pads | |||
| Measuring tape | |||
| Rubber electrodes | |||
| Saline solution | |||
| Single-use mini silicon hair bands | |||
| Skin marker | |||
| Sponge pockets | |||
| Syringe | |||
| tDCS device |
References
- Baddeley, A. Working memory: Looking back and looking forward. Nature Reviews Neuroscience. 4, 829-839 (2003).
- Aurtenetxe, S., et al. Interference Impacts Working Memory in Mild Cognitive Impairment. Frontiers in Neuroscience. 10, 443 (2016).
- Chen, P. C., Chang, Y. L. Associative memory and underlying brain correlates in older adults with mild cognitive impairment. Neuropsychologia. 85, 216-225 (2016).
- Bastin, C., et al. Associative memory and its cerebral correlates in Alzheimer's disease: Evidence for distinct deficits of relational and conjunctive memory. Neuropsychologia. 63, 99-106 (2014).
- McKhann, G. M., et al. The diagnosis of dementia due to Alzheimer's disease: Recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer's Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer's disease. Alzheimer's & Dementia. 7, 263-269 (2011).
- Bopp, K. L., Verhaeghen, P. Aging and Verbal Memory Span: A Meta-Analysis. Journals of Gerontology: Social Sciences section of The Journal of Gerontology Series B. 60, 223-233 (2005).
- Chalfonte, B. L., Johnson, M. K. Feature memory and binding in young and older adults. Memory & Cognition. 24, 403-416 (1996).
- Livingston, G., et al. Dementia prevention, intervention, and care: 2020 report of the Lancet Commission. Lancet. 396, 413-446 (2020).
- Dharmarajan, T. S., Gunturu, S. G. Alzheimer's disease: A healthcare burden of epidemic proportion. American Health & Drug Benefits. 2, 39-47 (2009).
- Stites, S. D., Harkins, K., Rubright, J. D., Karlawish, J. Relationships between cognitive complaints and quality of life in older adults with mild cognitive impairment, mild Alzheimer disease dementia, and normal cognition. Alzheimer Disease and Associated Disorders. 32, 276-283 (2018).
- Montejo, P., Montenegro, M., Fernández, M. A., Maestú, F. Memory complaints in the elderly: Quality of life and daily living activities. A population based study. Archives of Gerontology and Geriatrics. 54, 298-304 (2012).
- Hussenoeder, F. S., et al. Mild cognitive impairment and quality of life in the oldest old: a closer look. Quality of Life Research. 29, 1675-1683 (2020).
- Mol, M., et al. The effect of percieved forgetfulness on quality of life in older adults; a qualitative review. International Journal of Geriatric Psychiatry. 22, 393-400 (2007).
- Malkani, R. G., Zee, P. C. Brain Stimulation for Improving Sleep and Memory. Sleep Medicine Clinics. 15, 101-115 (2020).
- Sandrini, M., Manenti, R., Sahin, H., Cotelli, M. Effects of transcranial electrical stimulation on episodic memory in physiological and pathological ageing. Ageing Research Reviews. 61, (2020).
- Manenti, R., Cotelli, M., Robertson, I. H., Miniussi, C. Transcranial brain stimulation studies of episodic memory in young adults, elderly adults and individuals with memory dysfunction: A review. Brain Stimulation. 5, 103-109 (2012).
- Filmer, H. L., Dux, P. E., Mattingley, J. B. Applications of transcranial direct current stimulation for understanding brain function. Trends in Neuroscience. 37, 742-753 (2014).
- Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of Transcranial Direct Current Stimulation. Journal of ECT. 34, 144-152 (2018).
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9, 641-661 (2016).
- Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. International Journal of Neuropsychopharmacology. 14, 1133-1145 (2011).
- Owen, A. M., McMillan, K. M., Laird, A. R., Bullmore, E. N-back working memory paradigm: A meta-analysis of normative functional neuroimaging studies. Human Brain Mapping. , 46-59 (2005).
- Staresina, B. P., Henson, R. N. A., Kriegeskorte, N., Alink, A. Episodic Reinstatement in the Medial Temporal Lobe. Journal of Neuroscience. 32, 18150-18156 (2012).
- Bai, S., Loo, C., Dokos, S. A review of computational models of transcranial electrical stimulation. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 41, 21-35 (2013).
- Esmaeilpour, Z., et al. Methodology for tDCS integration with fMRI. Human Brain Mapping. 41, 1950-1967 (2020).
- Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): A tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clinical Neurophysiology. 117, 845-850 (2006).
- Lang, S., Gan, L. S., Alrazi, T., Monchi, O. Theta band high definition transcranial alternating current stimulation, but not transcranial direct current stimulation, improves associative memory performance. Scientific Reports. 9, (2019).
- Vulić, K., Bjekić, J., Paunović, D., Jovanović, M., Milanović, S., Filipović, S. R. Theta-modulated oscillatory transcranial direct current stimulation over posterior parietal cortex improves associative memory. Scientific Reports. 11, 3013 (2021).
- Pahor, A., Jaušovec, N. The effects of theta and gamma tacs on working memory and electrophysiology. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 651 (2018).
- Dedoncker, J., Brunoni, A. R., Baeken, C., Vanderhasselt, M. A. The effect of the interval-between-sessions on prefrontal transcranial direct current stimulation (tDCS) on cognitive outcomes: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neural Transmission. 123, 1159-1172 (2016).
- Sarkis, R. A., Kaur, N., Camprodon, J. A. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS): Modulation of Executive Function in Health and Disease. Current Behavioral Neuroscience Reports. 1, 74-85 (2014).
- Mitra, S., Mehta, U. M., Binukumar, B., Venkatasubramanian, G., Thirthalli, J. Statistical power estimation in non-invasive brain stimulation studies and its clinical implications: An exploratory study of the meta-analyses. Asian Journal of Psychiatry. 44, 29-34 (2019).
- Faul, F., Erdfelder, E., Lang, A. G., Buchner, A. G*Power 3: A flexible statistical power analysis program for the social, behavioral, and biomedical sciences. Behavior Research Methods (Psychonomic Society Inc.). , 175-191 (2007).
- Coffman, B. A., Clark, V. P., Parasuraman, R. Battery powered thought: Enhancement of attention, learning, and memory in healthy adults using transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 85, 895-908 (2014).
- Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128, 1774-1809 (2017).
- Mayer, J. D., Gaschke, Y. N. The experience and meta-experience of mood. Journal of Personality and Social Psychology. 55, 102-111 (1988).
- Berryhill, M. E., Wencil, E. B., Branch Coslett, H., Olson, I. R. A. A selective working memory impairment after transcranial direct current stimulation to the right parietal lobe. Neuroscience Letters. 479, 312-316 (2010).
- Berryhill, M. E., Jones, K. T. tDCS selectively improves working memory in older adults with more education. Neuroscience Letters. 521, 148-151 (2012).
- Živanović, M., et al. The Effects of Offline and Online Prefrontal vs Parietal Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) on Verbal and Spatial Working Memory. Neurobiology of Learning and Memory. 179, 107398 (2021).
- Bjekić, J., et al. The immediate and delayed effects of single tDCS session over posterior parietal cortex on face-word associative memory. Behavioural Brain Research. 366, 88-95 (2019).
- Bjekić, J., Čolić, V. M., Živanović, M., Milanović, D. S., Filipović, R. S. Transcranial direct current stimulation (tDCS) over parietal cortex improves associative memory. Neurobiology of Learning and Memory. 157, 114-120 (2019).
- Lee, C., Jung, Y. J., Lee, S. J., Im, C. H. COMETS2: An advanced MATLAB toolbox for the numerical analysis of electric fields generated by transcranial direct current stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 277, 56-62 (2017).
- Berryhill, M. E. Hits and misses: leveraging tDCS to advance cognitive research. Frontiers in Psychology. 5, (2014).
- Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clinical EEG and Neuroscience. 43, 192-199 (2012).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. , 2744 (2011).
- Reinhart, R. M. G., Cosman, J. D., Fukuda, K., Woodman, G. F. Using transcranial direct-current stimulation (tDCS) to understand cognitive processing. Attention, Perception, & Psychophysics. 79, 3-23 (2017).
- Santarnecchi, E., et al. Enhancing cognition using transcranial electrical stimulation. Current Opinion in Behavioral Sciences. 4, 171-178 (2015).
- Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127, 1031-1048 (2016).
- Imburgio, M. J., Orr, J. M. Effects of prefrontal tDCS on executive function: Methodological considerations revealed by meta-analysis. Neuropsychologia. 117, 156-166 (2018).
- Lally, N., Nord, C. L., Walsh, V., Roiser, J. P. Does excitatory fronto-extracerebral tDCS lead to improved working memory performance. F1000Research. 2, (2013).
- Nozari, N., Woodard, K., Thompson-Schill, S. L. Consequences of cathodal stimulation for behavior: When does it help and when does it hurt performance. PLoS One. 9, (2014).
- Hoebeke, Y., Desmedt, O., Özçimen, B., Heeren, A. The impact of transcranial Direct Current stimulation on rumination: A systematic review of the sham-controlled studies in healthy and clinical samples. Comprehensive Psychiatry. 106, 152226 (2021).
