Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) zur Gedächtnisverbesserung

Published: September 18, 2021 doi: 10.3791/62681
Automatic Translation
1, 2, 1
1Institute for Medical Research, Human Neuroscience Group, University of Belgrade, 2Faculty of Philosophy, Institute of Psychology, University of Belgrade

Summary

Ein Protokoll zur Gedächtnisverbesserung unter Verwendung der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS), die auf dorsolaterale präfrontale und posteriore parietale Kortikale als kortikale Kernknoten innerhalb des hippokampo-kortikalen Netzwerks abzielt, wird vorgestellt. Das Protokoll wurde in Studien mit gesunden Teilnehmern gut evaluiert und ist auch auf die Alterns- und Demenzforschung anwendbar.

Abstract

Die Verbesserung des Gedächtnisses ist eine der großen Herausforderungen in den kognitiven Neurowissenschaften und der Neurorehabilitation. Unter den verschiedenen Techniken zur Gedächtnisverbesserung entwickelt sich die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) zu einem besonders vielversprechenden Werkzeug zur verbesserung der Gedächtnisfunktionen auf nicht-invasive Weise. Hier stellen wir ein tDCS-Protokoll vor, das zur Gedächtnisverbesserung in Studien mit gesunden Teilnehmern sowie in der Alterns- und Demenzforschung angewendet werden kann. Das Protokoll verwendet einen schwachen konstanten Anodalstrom, um kortikale Ziele innerhalb des kortiko-hippokampalen funktionellen Netzwerks zu stimulieren, das an Gedächtnisprozessen beteiligt ist. Die Zielelektrode wird entweder auf dem hinteren parietalen Kortex (PPC) oder dem dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) platziert, während die Rücklaufelektrode extrakraniell (d.h. auf der kontralateralen Wange) platziert wird. Darüber hinaus skizzieren wir eine fortschrittlichere Methode des oszillierenden tDCS, die einen natürlichen Gehirnrhythmus nachahmt, um Hippocampus-abhängige Gedächtnisfunktionen zu fördern, die auf personalisierte und nicht personalisierte Weise angewendet werden können. Wir präsentieren illustrative Ergebnisse der assoziativen und Arbeitsgedächtnisverbesserung nach einzelnen tDCS-Sitzungen (20 Minuten), in denen die beschriebenen Elektrodenmontagen mit Stromdicken zwischen 1,5 mA und 1,8 mA eingesetzt wurden. Schließlich diskutieren wir entscheidende Schritte im Protokoll und methodische Entscheidungen, die beim Entwurf einer tDCS-Studie zum Gedächtnis getroffen werden müssen.

Introduction

Das Gedächtnis spielt eine wichtige Rolle im täglichen Funktionieren, da es einem ermöglicht, sich an Informationen über Menschen und Orte zu erinnern, sich an vergangene Ereignisse zu erinnern, neue Fakten und Fähigkeiten zu erlernen sowie Urteile und Entscheidungen zu treffen. Hier konzentrieren wir uns auf zwei Arten von Gedächtnis - Arbeitsgedächtnis (WM) und assoziatives Gedächtnis (AM). WM bietet uns die Möglichkeit, Informationen für die laufende kognitive Verarbeitung vorübergehend zu pflegen und zu speichern1, während AM es uns ermöglicht, uns an mehrere Erfahrungen oder Informationen zu erinnern, die miteinander verbunden sind. Daher unterstreichen diese beiden Arten von Gedächtnis fast alle täglichen Aktivitäten. Leider ist das Gedächtnis eine der anfälligsten Funktionen, da es mit normalem Altern sowie aufgrund verschiedener pathologischer Zustände und Zustände abnimmt. Sowohl der Rückgang von WM als auch VON AM ist bei leichten kognitiven Beeinträchtigungen2,3 und Demenz4,5 sowie bei normalem Altern6,7prominent. Da Gedächtnisdefizite mit einer hohen Krankheitsbelastung8,9 verbunden sind und die Lebensqualität signifikant beeinträchtigen10,11,12,13, besteht ein wachsender Bedarf an neuen Ansätzen zur Prävention und Behandlung von Gedächtnisverlust.

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist ein vielversprechendes Werkzeug, um den Gedächtnisverlust14,15,16 zu bekämpfen und ein besseres Verständnis der Gehirnfunktionen im Allgemeinen zu erlangen17. tDCS ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die schwache elektrische Ströme (normalerweise zwischen 1 mA und 2 mA) verwendet, um die Gehirnaktivität zu modulieren, indem sie die Erregbarkeit der neuronalen Membran beeinflusst. Die Wirkungen von tDCS sind polaritätsabhängig, so dass die Anodalstimulation zunimmt, während die kathodale Erregbarkeit abnimmt. Anodales tDCS erhöht nämlich die Wahrscheinlichkeit, dass Aktionspotentiale durch Depolarisation neuronaler Membranen feuern, wodurch die spontane Gehirnaktivität unter der Anode18erleichtert wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Wirkung einer erhöhten Aktivierung nicht lokalisiert bleibt, sondern sich tendenziell auf andere funktionell verbundene Bereiche des zentralen Nervensystems ausbreitet. Es wird daher erwartet, dass anodales tDCS kognitive Funktionen fördert, die auf gezielten Gehirnregionen und funktionell miteinander verbundenen Gehirnbereichen beruhen, während kathodales tDCS den gegenteiligen Effekt haben soll.

Das tDCS hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Techniken der Hirnstimulation: (1) tDCS ist sicher, d.h. stellt keine Gesundheitsrisiken dar und führt nicht zu negativen kurz- oder langfristigen strukturellen oder funktionellen Veränderungen19; (2) tDCS zeichnet sich durch höchste Verträglichkeit unter den Hirnstimulationstechniken aus, da es den Teilnehmern minimale Beschwerden in Form eines leichten Kribbelns und Juckreizes unter den stimulierenden Elektroden verursacht20; (3) tDCS ist kostengünstig - der Preis für tDCS-Geräte und -Anwendungen sind zehn- bis hundertmal niedriger als bei anderen Behandlungsoptionen, was es für Patienten und das Gesundheitssystem attraktiv macht; (4) tDCS ist einfach zu bedienen und hat daher ein hohes Potenzial, auch in häuslichen Umgebungen angewendet zu werden, was zu einer höheren Compliance der Patienten und geringeren Kosten für medizinisches Personal und Einrichtungen führen kann.

Die größten Herausforderungen bei der Verwendung von tDCS zur Speicherverbesserung bestehen darin, das optimale Elektrodenmontage- und Stimulationsprotokoll zu finden, das zuverlässige Auswirkungen auf das Gedächtnis hat. Hier verwenden wir den Begriff Elektrodenmontage, um uns auf die Konfiguration und die Positionen der Elektroden (d.h. die Platzierung der Ziel- und Referenz-(Rück-)Elektrode) zu beziehen. Aufgrund der Beschaffenheit der elektrischen Felder ist die Referenz- (Rück-) Elektrode nicht neutral - sie hat die der Zielelektrode entgegengesetzte Polarität - und kann somit auch biologische (neuromodulatorische) Effekte auf das darunter liegende Nervengewebe ausüben. Daher ist eine sorgfältige Auswahl der Referenzelektrode unerlässlich, um unerwünschte Zusatzeffekte der Stimulation zu vermeiden.

Wenn wir den Begriff Stimulationsprotokoll verwenden, beziehen wir uns auf die tDCS-Parameter wie die Dauer und intensität des angelegten Stroms sowie die Art und Weise, wie sich die Stromintensität im Laufe der Zeit ändert (dh ob die Intensität während der Stimulation konstant ist oder sich nach einer sinusförmigen Wellenform mit bestimmter Amplitude und Frequenz ändert). Verschiedene Stimulationsprotokolle können mit der gleichen Elektrodenmontage angewendet werden, und das gleiche Protokoll kann über verschiedene Montagen hinweg verwendet werden.

Um die Elektrodenmontage zu optimieren, betrachten wir die funktionsrelevanten Hirnare und wie sich die durch verschiedene Positionen der Elektroden induzierten elektrischen Felder auf diese Hirnareare und damit auf kognitive Funktionen auswirken würden. Mehrere verschiedene kortikale und subkortikale Strukturen spielen eine wichtige Rolle bei Gedächtnisfunktionen - einschließlich Bereichen des frontalen, temporalen und parietalen Kortex. WM wird nämlich von einem weit verbreiteten neuronalen Netzwerk unterstützt, das dorsolateralen (DLPFC) und ventralen lateralen präfrontalen Kortex (VLPFC), prämotorische und ergänzende motorische Kortikale sowie den hinteren parietalen Kortex (PPC)umfasst 21. Für AM und episodisches Gedächtnis im Allgemeinen sind Strukturen innerhalb des medialen Temporallappens essentiell22. Aber auch assoziative Bereiche der parietalen, frontalen und temporalen Kortikale mit ihren konvergenten Wegen zum Hippocampus spielen eine bedeutende Rolle. Aufgrund seiner anatomischen Position kann der Hippocampus nicht direkt mit tDCS stimuliert werden, und daher erfolgt die Verbesserung der Hippocampus-abhängigen Gedächtnisfunktionen mit den kortikalen Zielen mit hoher funktioneller Konnektivität zum Hippocampus wie dem hinteren parietalen Kortex. Aus diesen Gründen werden DLPFC und PPC am häufigsten als Stimulationsziele zur Verbesserung des Gedächtnisses verwendet. Die Positionierung der Elektroden kann auf der Grundlage der Stromflussmodellierung23 weiter verfeinert und in Studien validiert werden, die tDCS mit Neuroimaging-Techniken kombinieren24.

Das üblichste Stimulationsprotokoll ist ein konstanter Anodalstrom von 1-2 mA, der zwischen 10-30 Minuten dauert. Der angenommene Mechanismus hinter diesem Protokoll ist, dass die Elektrode mit einer positiven Ladung die Erregbarkeit des darunter liegenden kortikalen Gewebes erhöht, was dann zu einer verbesserten nachfolgenden Gedächtnisleistung führt. Im Gegensatz zum konstanten anodalen tDCS, bei dem die Stromintensität während der gesamten Stimulationsperiode gleich bleibt, schwankt beim oszillierenden tDCS-Protokoll die Intensität des Stroms bei der angegebenen Frequenz um einen festgelegten Wert. Daher moduliert diese Art von Protokoll nicht nur die Erregbarkeit, sondern auch neuronale Schwingungen der relevanten Hirnareareel. Es ist wichtig zu beachten, dass sowohl für konstante als auch für oszillierende tDCS die Elektroden die gleiche Strompolarität für die gesamte Dauer der Stimulation beibehalten.

Hier stellen wir tDCS-Montagen vor, die auf Knoten innerhalb des Fronto-Parieto-Hippocampus-Netzwerks abzielen, um den Speicher zu fördern - sowohl WM als auch AM: insbesondere zwei Elektrodenmontagen mit der Zielelektrode über entweder links / rechts DLPFC oder links / rechts PPC. Zusätzlich zum konstanten anodalen tDCS-Protokoll skizzieren wir ein theta oszillatorisches tDCS-Protokoll.

Studiendesign
Bevor wir eine detaillierte Anleitung zur Verwendung von tDCS zur Speicherverbesserung bereitstellen, werden wir einige wesentliche Eigenschaften des experimentellen Designs skizzieren, die bei der Planung einer tDCS-Studie zum Speicher zu berücksichtigen sind.

Scheinkontrolle
Um die Auswirkungen von tDCS auf das Gedächtnis zu beurteilen, muss die Studie scheinkontrolliert werden. Dies bedeutet, dass das Protokoll unter einer der experimentellen Bedingungen einer echten Stimulationssitzung ähnelt, aber keine Behandlung gegeben wird. Diese gefälschte oder Scheinsitzung dient als Referenzpunkt, um die Leistung nach echtem tDCS zu vergleichen und Rückschlüsse auf ihre Wirksamkeit zu ziehen. Üblicherweise wird der Strom im Scheinprotokoll nur für einen kurzen Zeitraum angewendet - normalerweise bis zu 60 Sekunden zu Beginn und am Ende der Scheinstimulation als Anlauf, gefolgt von sofortigem Ramp-Down (dh Ein- / Ausblenden, jeweils bis zu 30 Sekunden). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Dauer der Stimulation nicht ausreicht, um Verhaltens- oder physiologische Effekte hervorzuwirken. Da lokale Haut- / Kopfhautempfindungen in der Regel zu Beginn und am Ende der Stimulation (aufgrund von Veränderungen der aktuellen Intensität) am ausgeprägtesten sind, sind die in allen Protokollen induzierten Empfindungen vergleichbar und schwer zu unterscheiden25. Auf diese Weise wird der Teilnehmer darüber geblendet, ob die Stimulation real ist oder nicht, was besonders bei Designs innerhalb des Subjekts wichtig ist.

Neben der Scheinkontrolle, um die Spezifität der Auswirkungen von Oszillationsprotokollen zu beurteilen, ist es ratsam, auch eine aktive Kontrollbedingungzu haben. Zum Beispiel kann die aktive Steuerung für das Oszillationsprotokoll eine konstante Anodalstimulation der gleichen Intensität26,27oder eine oszillatorische Stimulation in unterschiedlicher Frequenz sein, z. B. Theta vs Gamma28.

Innerhalb oder zwischen den Fächern Design.
Im Inner-Subjekt-Design durchläuft jeder Teilnehmer sowohl echtes als auch Schein-tDCS, während zwischen dem Subjektdesign eine Gruppe von Teilnehmern echte und die andere Gruppe Schein-tDCS erhält. Der Hauptvorteil des Inner-Subjekt-Designs ist eine bessere Kontrolle von fachspezifischen Verwerfungen. Das heißt, individuelle Unterschiede in Anatomie und kognitiven Fähigkeiten werden am besten kontrolliert, wenn jeder Teilnehmer mit sich selbst verglichen wird. Da jedoch das Design innerhalb des Subjekts cross-over angewendet werden muss (d. H. Die Hälfte der Teilnehmer erhält echtes tDCS in der ersten Sitzung und Schein in der zweiten Sitzung, während die andere Hälfte der Teilnehmer Schein-zuerst und echtes tDCS an zweiter Stelle erhält), ist dieses Design möglicherweise nicht optimal für klinische und Trainingsstudien sowie Studien mit mehreren tDCS-Sitzungen an aufeinanderfolgenden Tagen. weil das Crossover-Design zu ungleichen Basislinien zwischen Crossover-Armen führen kann. Daher eignet sich das Design innerhalb des Subjekts am besten, wenn es darum geht, die verhaltensbezogenen oder physiologischen Auswirkungen einer einzelnen tDCS-Sitzung zu bewerten und wenn ungleiche Baselines nicht als Problem für die Forschungshypothese angesehen werden. Bei der Bewertung der Auswirkungen einer einzelnen tDCS-Sitzung innerhalb des Fächers ist es eine gute Praxis, 7 Tage zwischen realer und Schein-tDCS-Sitzung zu halten, um Übertragungseffekte zu vermeiden (einige Studien deuten jedoch daraufhin,dass selbst kürzere Auswaschzeiten die Ergebnisse nicht signifikant beeinflussen29,30) und parallele Formen von Gedächtnisaufgaben im Gegengewicht zu verwenden, um Trainings- und Lerneffekte zwischen den Sitzungen zu minimieren.

Wenn das Design zwischen den Probanden verwendet wird, sollte die Kontrollgruppe sorgfältig auf die Ausgangsleistung sowie andere relevante Merkmale abgestimmt werden, von denen bekannt ist, dass sie für die Wirksamkeit des tDCS relevant sind. Die zufällige Gruppenzuordnung ist möglicherweise nicht der beste Ansatz in kleinen Stichprobengrößen (z. B. <100), da dies zu einem suboptimalen Abgleich führen kann. In beiden Fällen sollte die Ausgangsleistung bei der statistischen Analyse berücksichtigt werden.

Stichprobenumfang.
Eine der häufig gestellten Fragen lautet: "Wie viele Teilnehmer braucht man, um tDCS-Effekte zu erkennen?". Die Antwort auf diese Frage hängt von mehreren Aspekten der Studie ab, einschließlich des experimentellen Designs, der erwarteten Effektgrößen, der Art der statistischen Analyse usw. Die Stichprobengrößen in den Hirnstimulationsexperimenten sind oft zu klein, und es wird geschätzt, dass Studien in diesem Bereich etwa 50% der wirklich positiven Ergebnisse verpassen, weil sie unterversorgt sind31. Die Leistungsanalyse ermöglicht die Bestimmung der angemessenen Stichprobengröße für jedes spezifische Experiment basierend auf dem Studiendesign und der erwarteten Effektgröße für die geplante statistische Analyse. Die Leistungsanalyse kann in einer R-Umgebung oder mit freier Spezialsoftware wie G * Power32durchgeführt werden und sollte immer a priori (dh vor dem Experiment) durchgeführt werden. Die Leistung sollte auf >,80 (idealerweise .95) eingestellt werden und die erwartete Effektgröße für Speicheraufgaben nach einer einzelnen tDCS-Sitzung liegt normalerweise zwischen .15-.20 (η2),dh Cohen f 0.42-0.50. Daher muss man in der Regel 20-30 Teilnehmer insgesamt für das Experiment innerhalb des Probanden und 30-40 Teilnehmer pro Gruppe für die Studie zwischen den Probanden einschreiben, um eine zufriedenstellende Leistung zu erreichen und somit den Typ-II-Fehler zu verringern. Die Stichprobengröße hängt jedoch von der Anzahl der anderen Faktoren ab, einschließlich der geplanten Analyse und der Sensitivität der verwendeten Verhaltensmaße. Daher würde man idealerweise ein erstes Experiment durchführen, um die Effektgrößen für das spezifische Design zu verstehen und diese Daten als Eingabe für die Leistungsanalyse zu verwenden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Durchführung eines Pilotversuchs an nur wenigen Teilnehmern zu fehlerhaften und unzuverlässigen Schätzungen der Effektgrößen führt. Wenn die Ressourcen begrenzt sind, ist es daher besser, sich auf die vorherigen Studien mit vergleichbaren Ergebnissen zu verlassen und einen etwas konservativeren Ansatz zu verfolgen, d.h. etwas kleinere Effektgrößen als in der Literatur berichtet zu schätzen.

Ergebnismessungen
Um die Wirksamkeit von tDCS auf das Gedächtnis zu beurteilen, muss man geeignete Verhaltensaufgaben auswählen. Tatsächlich ist die Wahl der Gedächtnisaufgabe einer der entscheidenden Aspekte des Studiendesigns, da die Fähigkeit, den tDCS-Effekt zu erkennen, direkt von der Empfindlichkeit der Aufgabe abhängt. Die Herausforderung besteht darin, dass die meisten standardisierten Gedächtnisbewertungswerkzeuge oder klassische neuropsychologische Aufgaben möglicherweise nicht empfindlich genug sind, um tDCS-Effekte in bestimmten Populationen zu erkennen. Darüber hinaus sind die meisten standardisierten Aufgaben nicht in zwei oder mehr parallelen Formen verfügbar und können daher nicht in Designs innerhalb von Fächern verwendet werden. Aus diesem Grund verwenden die meisten tDCS-Speicherstudien benutzerdefinierte Aufgaben. Bei der Gestaltung oder Auswahl der Ergebnismessung sollte sichergestellt werden, dass die Aufgabe Folgendes ist: (1) fokales/selektives Maß der interessierenden Gedächtnisfunktion; (2) empfindlich (d. h. dass die Skala fein genug ist, um auch kleine Veränderungen zu erkennen); (3) Herausforderung für die Teilnehmer (d.h. dass die Schwierigkeit der Aufgabe ausreicht und somit Celling-Effekte vermieden werden); (4) zuverlässig (d.h. dass der Messfehler so weit wie möglich minimiert wird). Daher sollte man empirisch validierte, streng parallele Formen von Gedächtnisaufgaben verwenden, die über eine ausreichende Anzahl von Versuchen verfügen - sowohl um die Empfindlichkeit der Messung sicherzustellen als auch um ihre Zuverlässigkeit zu maximieren. Idealerweise sollten die Aufgaben an einer Gruppe vorgetestet werden, die aus der gleichen Population wie die Experimentteilnehmer beprobt wurde, um sicherzustellen, dass eine maximale Leistung nicht erreichbar ist und dass die Aufgabenformen die gleichen Schwierigkeitsgrade aufweisen. Schließlich ist es am besten, computergestützte Aufgaben zu verwenden, wann immer dies möglich ist, da sie eine kontrollierte Dauer und ein präzises Timing ermöglichen. Auf diese Weise können forscher sicherstellen, dass alle Teilnehmer gleichzeitig eine Gedächtnisbewertung in Bezug auf den Zeitpunkt der Stimulation (entweder während oder nach tDCS) erhalten. Die Dauer jeder Aufgabe oder jedes Aufgabenblocks sollte nicht länger als 10 Minuten sein, um Müdigkeit und Schwankungen des Aufmerksamkeitsniveaus zu vermeiden. Die kognitive Beurteilung sollte insgesamt nicht länger als 90 Minuten dauern (einschließlich Aufgaben während und nach tDCS).

Protocol

Dieses Verfahren wurde von der Institutionellen Ethikkommission genehmigt und steht im Einklang mit der Deklaration von Helsinki und den Richtlinien für die Humanforschung.

1. Materialien

HINWEIS: Bereiten Sie für jede tDCS-Sitzung die folgenden Materialien vor (Abbildung 1).

  1. Beziehen Sie ein tDCS-Gerät - Verwenden Sie nur ein batteriebetriebenes tDCS-Gerät oder ein netzgekoppeltes optisch isoliertes tDCS-Gerät. Das Gerät sollte als Konstantstromstimulator mit einer maximalen Leistung fungieren, die vorzugsweise auf einige Milliampere begrenzt ist. Das Gerät muss über eine behördliche Zulassung für den menschlichen Gebrauch verfügen.
  2. Erhalten Sie Gummielektroden - verwenden Sie entweder 5 cm x 5 cm quadratische oder 25 cm2 runde Elektroden. Diese Elektroden haben Stromdichten zwischen 0,06 mA/cm2 und 0,08 mA/cm 2 fürStröme von 1,5 mA-2 mA.
  3. Bereiten Sie Schwammtaschen vor, die zu den Gummielektroden passen. Wenn die Schwammtasche zu groß ist, erhöht sich die Kontaktfläche zur Haut.
  4. Bereiten Sie Kochsalzlösung (Standard 0,9% NaCl) vor.
  5. Bereiten Sie Alkohol zu (70%).
  6. Erhalten Sie eine verstellbare Silikonkappe - Kopfgurte können ebenfalls verwendet werden, jedoch können EEG-Silikonkappen besser an die Größe und die Form des Kopfes der Teilnehmer angepasst werden und sind daher bequemer für die Elektrodenplatzierung.
  7. Erhalten Sie Maßband (flexibel; Kunststoff oder Band).
  8. Erhalten Sie einen Hautmarker - Hautmarkerstifte oder verschiedene Make-up-Produkte (z. B. Augenstift oder Lidschattenkreide), die später noch bequemer sein können, da sie dermatologisch getestet und leicht abnehmbar sind.
  9. Besorgen Sie sich Wattepads.
  10. Erhalten Sie Kamm- und Einweg-Mini-Silikon-Haarbänder.
  11. Besorgen Sie sich eine Spritze oder Eine Kunststoffpipette.
  12. Bereiten Sie ein Protokollblatt vor - füllen Sie das Formular für grundlegende Informationen über die Sitzung aus, z. B. Teilnehmer-ID, Studien-ID, Datum, Uhrzeit, Notizen usw. (siehe Anhang für ein Beispiel).
  13. Bereiten Sie eine Tabelle mit vorberechneten Kopfmaßen vor, um die Platzierung der Elektroden zu unterstützen.
    HINWEIS: Um den Prozess zu beschleunigen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, ist es ratsam, diese Tabelle im Voraus bereit zu haben. Die Messung basiert auf einem 10-20 EEG Elektrodenplatzierungssystem; Die für die Berechnungen verwendeten Werte sind Nasion-Inion/Links-Rechts-Präatrikuläre Abstände (siehe unten). Die Tabelle enthält 20%-Werte für einen Bereich von Entfernungswerten. Wir haben es als das bequemste empfunden, die Tabelle in das Protokollblatt (Anhang) eingebettet zu haben.
  14. Bereiten Sie Fragebögen vor. Sammeln Sie für jede Sitzung Daten über Empfindungen und Nebenwirkungen vor und nach tDCS; Empfindungen und das Niveau der (Un-)Angenehmkeit während tDCS; Stimmung und allgemeiner subjektiver Zustand, d.h. Frische/Müdigkeit.

Figure 1
Abbildung 1: Materialien für das tDCS-Experiment (Details siehe Text). 1) tDCS-Gerät; 2) Elektroden; 3) Schwämme; 4) Kochsalzlösung; 5) Alkohol; 6) Silikonkappe; 7) Maßband; 8) Hautstift; 9) Wattepads; 10) Kämme und Silikon-Haarbänder; 11) Spritze Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Programmierung von Stimulationsprotokollen

HINWEIS: Die genauen Schritte bei der Programmierung des tDCS-Protokolls unterscheiden sich je nach tDCS-Systemen/-Geräten. Alle tDCS-Geräte bieten jedoch grundlegende Funktionen - die Fähigkeit, konstanten Strom mit der gewünschten Stimulationsintensität zu erzeugen, die Fähigkeit, allmählich auf und ab zu fahren, und eine Methode, um die Dauer der Stimulation einzustellen. Die fortschrittlicheren Protokolle wie theta-oszillatorisches tDCS erfordern Geräte/Systeme, die maßgeschneiderte Stimulationsprotokolle ermöglichen.

  1. Konstantes anodales tDCS
    1. Definieren Sie das Standardprotokoll für konstante anodale tDCS (Abbildung 2A) als: (1) Einblendzeit von 30 Sekunden, wenn die Stromintensität schrittweise von 0 mA auf die Zielintensität erhöht wird (wir verwenden normalerweise 1,5 mA, aber auch andere Intensitäten können verwendet werden, sofern sie innerhalb der Sicherheitsgrenzen bleiben); (2) Stimulationszeit, in der der konstante Strom der Zielintensität (z. B. 1,5 mA) abgegeben wird; und (3) Ausblendungszeit von 30 Sekunden, wenn die Stromstärke allmählich auf 0 mA gesenkt wird.

Figure 2
Abbildung 2: tDCS-Protokolle: (A) Konstantes anodales tDCS; B) Theta oszillatorisches tDCS; (3) Sham tDCS. Fade in Periode ist orange markiert; Der Ausblendungszeitraum ist grün markiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Theta oszillatorisches tDCS
    1. Theta-oszillatorisches tDCS liefert Strom unterschiedlicher Intensität, schaltet aber keine Polaritäten (Abbildung 2B). Definieren Sie daher die Wellenform, in der der Strom abgegeben wird, wie folgt: (1) Einblendzeit von 30 Sekunden, wenn die Stromintensität schrittweise von 0 mA auf die Zielintensität (z. B. 1,5 mA) erhöht wird; (2) die Stimulationsperiode von 19 Minuten, in der der Strom innerhalb eines vordefinierten Amplitudenbereichs (wir verwenden Schwingungen von ± 0,5 mA der Zielintensität) in einer ausgewählten Frequenz (wir verwenden typischerweise 5 Hz Frequenz als repräsentativ für den Theta-Rhythmus) um die Zielintensität oszilliert; und (3) Ausblendungszeit von 30 Sekunden, um die strombehaftete Intensität auf 0 mA zu bringen.
      HINWEIS: Dieses Protokoll kann von jeder experimentellen Steuerungssoftware (z. B. CED-Signal) generiert und über eine intelligente Schnittstelle (z. B. CED 1401-Geräte) bereitgestellt werden, die mit dem zu verwendenden tDCS-Gerät kompatibel ist. Einige fortschrittlichere dedizierte transkranielle elektrische Stimulationssysteme (tES) neben tDCS können auch Wechselstrom (tACS) und zufällige Rauschstimulation (tRNS) liefern. Sie können auch verwendet werden, um das oszillierende tDCS-Protokoll zu generieren. Beispielsweise wird in StarStim das theta-oszillatorische tDCS-Protokoll als lineare Kombination aus tDCS (1,5 mA) und tACS (±0,5 mA, 5 Hz) definiert. Diese Art von Protokoll kann in dem Sinne personalisiert werden, dass nicht alle Teilnehmer eine oszillierende Stimulation in der gleichen Frequenz (dh 5 Hz) erhalten, sondern dass die Frequenz für jede Person an die dominante Frequenz innerhalb des Theta-Bandes angepasst wird (z. B. Person 1: 5 Hz, Person 2: 6 Hz, Person 3: 4,5 Hz usw.).

   

  1. Sham tDCS
    1. Verwenden Sie ein Scheinprotokoll mit der gleichen Dauer wie konstantes/oszillatorisches tDCS (Abbildung 2C). Definieren Sie es nämlich als: (1) erste Ein-/Ausblendungsperiode, in der der Strom allmählich auf Zielintensität (z. B. 1,5 mA) hochgefahren und in den ersten 60 Sekunden allmählich auf 0 mA heruntergefahren wird (2) 18 Minuten von 0 mA und (3) die zweite Ein-/Ausblendungsperiode, die wiederum 60 Sekunden dauert.
      HINWEIS: Ein alternativer Ansatz wäre die Verwendung einer sehr niedrigen Stromstärke über den gesamten Stimulationszeitraum (20 min). Diese Art von Scheinprotokoll ist genauso programmiert wie die Anodalstimulation (nur die aktuelle Intensität ist auf (0,1 mA) eingestellt und soll Hautempfindungen erzeugen, aber die Intensität ist zu wochenweise, um physiologische Effekte zu erzeugen33.

3. Platzierung der Elektrode (Abbildung 3)

  1. DLPFC-Elektrodenmontage: Zur Stimulation des DLPFC platzieren Sie die Zielelektrode (Anodalelektrode) entweder auf F3 (links) oder F4 (rechts) des internationalen 10-20 EEG-Systems. Legen Sie die Rücklaufelektrode (kathodal) auf die kontralaterale Wange - d.h. rechte Wange für F3-Anode und linke Wange für F4-Anode.
  2. PPC-Elektrodenmontage: Zur Stimulation über PPC platzieren Sie die Zielelektrode (Anodalelektrode) entweder auf P3 (links) oder P4 (rechts) des internationalen 10-20 EEG-Systems. Legen Sie die Rücklaufelektrode (kathodal) wie bei der DLPFC-Montage auf die kontralaterale Wange.
  3. Die Platzierung der Zielelektrode
    1. So lokalisieren Sie F3 auf dem Kopf der Teilnehmer
      1. Verwenden Sie das Maßband, um den Abstand zwischen Nasion (dem tiefsten Punkt des Nasenrückens) und Inion (dem ausgeprägtesten Punkt der äußeren Okzipitalprotuberanz) zu messen, der über die Oberseite des Kopfes geht. Markieren Sie die halbe Strecke mit dem Hautmarker mit einer dünnen Linie.
      2. Messen Sie den Abstand zwischen den Ohren (verwenden Sie präaurrikuläre Punkte als Referenzen), die über die Oberseite des Kopfes gehen, und markieren Sie den halben Weg mit einer dünnen Linie.
      3. Suchen Sie den Scheitelpunkt oder die zentrale Position der Mittellinie, die als Cz bezeichnet wird, an den Kreuzungen der beiden Mittellinien. Markieren Sie es deutlich mit dem Hautmarker.
      4. Messen Sie erneut den Nasion-Inion-Abstand, aber diesmal über Cz, und notieren Sie den Abstand als Maß A. Messen Sie erneut den Abstand zwischen den Ohren, diesmal über Cz, und notieren Sie den Abstand als Maß B.
      5. Berechnen Sie 20 % der Entfernung A und 20 % der Entfernung B (oder siehe Protokollblatt für vorberechnete Werte).
      6. Bewegen Sie sich 20% der Entfernung A von Cz entlang der Nasion-Inion-Linie nach vorne, um Fz (Mittellinie frontal) zu erreichen und markieren Sie die Stelle.
      7. Bewegen Sie sich 20% des Abstands B links von Cz entlang der Inter-Aurikulären Linie, um C3 (links Mitte) zu erreichen und markieren Sie die Stelle.
      8. Bewegen Sie sich 20% vorwärts von C3 (parallel zur Nasion-Inion-Linie) und 20% nach links von Fz (parallel zur Inter-Auricular-Linie), um F3 an der Kreuzung zu erreichen. Markieren Sie F3 mit dem Hautmarker und platzieren Sie die Mitte der Elektrode an der Stelle.
    2. Um F4zu finden, befolgen Sie das gleiche Verfahren nur auf der rechten Seite des Kopfes.
    3. So lokalisieren Sie P3 auf dem Kopf der Teilnehmer
      1. Befolgen Sie die Schritte 3.3.1.1-3.3.1.5 wie oben beschrieben (finden Sie Cz, beachten Sie den Abstand A und B, berechnen Sie 20%).
      2. Bewegen Sie sich 20% der Entfernung A rückwärts von Cz entlang des Nasion-Inions, um Pz (Mittellinienparietal) zu erreichen und markieren Sie die Stelle.
      3. Bewegen Sie 20% des Abstands B links von Cz entlang der interaurikulären Linie, um C3 zu erreichen und die Stelle zu markieren.
      4. Bewegen Sie sich 20% rückwärts von C3 (parallel zur Nasion-Inion-Linie) und 20% links von Pz (parallel zur Inter-Auricular-Linie), um P3 an ihrer Kreuzung zu erreichen. Markieren Sie P3 mit dem Hautmarker und platzieren Sie die Mitte der Elektrode an der Stelle.
    4. Um P4zu lokalisieren, befolgen Sie das gleiche Verfahren nur auf der rechten Seite des Kopfes.
  4. Platzierung der Rücklaufelektrode
    1. Nachdem Sie die Zielelektrode mit der verstellbaren Silikonkappe gesichert haben (siehe Schritt-für-Schritt-Verfahren), führen Sie die Rücklaufelektrode unterhalb des Kinnbandes ein, um den Kontakt der Elektrode mit der kontralateralen Wange zu sichern.

Figure 3
Abbildung 3: Elektrodenplatzierungsschema. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Schritt-für-Schritt-Verfahren

  1. Vor der tDCS-Sitzung
    1. Überprüfen Sie, ob jeder Teilnehmer die Einschlusskriterien erfüllt, die in der ethischen Zulassung für die Studie definiert sind (siehe Anhang für die häufigsten Einschluss-/Ausschlusskriterien).
    2. Bitten Sie den Teilnehmer, das Teilnehmerinformationsblatt auszufüllen (einschließlich aller relevanten Informationen wie Alter, Geschlecht, Nikotin-/Alkoholkonsum usw.34).
    3. Befolgen Sie die ethischen Richtlinien des institutionellen Prüfungsausschusses und bitten Sie den Teilnehmer, eine Einwilligung nach Aufklärung zu unterzeichnen. Nutzen Sie diese Gelegenheit, um die grundlegenden Aspekte des Verfahrens zu erläutern und alle Fragen der Teilnehmer zu beantworten.
    4. Führen Sie je nach Studiendesign eine kognitive Baseline-Bewertung (Gedächtnis und / oder andere kognitive Funktionen) durch.
  2. tDCS-Aufbau und Stimulation
    1. Setzen Sie den Teilnehmer bequem in einen Stuhl.
    2. Bitten Sie den Teilnehmer, die Checkliste für die Empfindungen vor dem TDCS auszufüllen und über den Gesamtzustand zu berichten (d. H. Aktuelle Stimmung; Frische / Müdigkeit - diese können entweder als einzelnes Likert-Typ-Element oder mit standardisierten Fragebögen wie Brief Mood Introspection Scale35bewertet werden).
    3. Nehmen Sie Kopfmaße mit einem Maßband vor.
    4. Um den DLPFC oder PPC zu lokalisieren, folgen Sie dem oben beschriebenen Verfahren (Elektrodenplatzierung). Noten Sie die Maßnahmen im Protokollblatt für jeden Teilnehmer. Diese können verwendet werden, um bei Messungen in nachfolgenden Sitzungen zu überprüfen.
    5. Um den Leitfähigkeit zu erhöhen, entfernen Sie die Haare der Teilnehmer von der Stimulationsstelle (verwenden Sie Kamm und Haarbänder für Teilnehmer mit langen Haaren).
    6. Untersuchen Sie auf Anzeichen von Hautschäden am Ort der Stimulation. Vermeiden Sie es, Elektroden über beschädigter Haut zu positionieren.
    7. Reinigen Sie die Hautoberfläche, auf der die Elektroden platziert werden, mit alkoholgetränkten Wattepads, um Fett, Schmutz usw. zu entfernen und trocknen zu lassen (verwenden Sie ein Make-up-Entfernungsprodukt, wenn der Teilnehmer schweres Make-up auf der Wange hat).
    8. Setzen Sie die Silikonkappe auf den Kopf des Teilnehmers und befestigen Sie sie mit dem Kinnriemen. Machen Sie die Kappe nicht fest (dies wird später geschehen).
    9. Die Schwammtaschen mit Kochsalzlösung einweichen und die Elektroden hineinlegen. Die Schwämme sollten feucht sein, aber nicht tropfen; in der Regel reichen 10-15 ml Kochsalzlösung pro Schwamm aus. Wenn die Schwämme zu trocken sind, führt dies zu einem hohen Widerstand und zu einer schlechten Leitfähigkeit, sogar zum Verlust der Stromkreisverbindung.
      HINWEIS: Die meisten tDCS-Geräte verfügen über Widerstandsanzeigen. Die Schwämme sollten jedoch gelegentlich auf Feuchtigkeit untersucht werden. Auf der anderen Seite, wenn die Schwämme übermäßig nass sind, kann es dazu führen, dass sich der Strom während der Stimulation über den Kopf verschiebt. Es wird empfohlen, Schwämme mittelnasse zu haben und eine Spritze zu verwenden, um während des Experiments mehr Kochsalzlösung hinzuzufügen, wenn die Schwämme zu trocken werden.
    10. Legen Sie die Schwammelektrode unter die Silikonbänder und positionieren Sie die Mitte der Zielelektrode an der markierten Kopfposition. Stellen Sie die Rücklaufelektrode auf die kontralaterale Wange. Verwenden Sie die Silikonbänder, um die Kappe an die Kopfgröße und Form des Teilnehmers anzupassen. Die Kappe sollte fest sein, damit sich die Elektroden nicht bewegen können, aber dennoch bequem für den Teilnehmer.
    11. Schalten Sie den Stimulator ein, wählen und führen Sie das vordefinierte tDCS-Protokoll (aktive Anodalstimulation oder Sham) aus.
    12. Bitten Sie den Teilnehmer, sich zu entspannen und lassen Sie ihn berichten, wie er sich in den ersten Minuten der Stimulation (1-3 Minuten) fühlt. Erklären Sie, dass die Empfindungen langsam verblassen, wenn sie sich daran gewöhnen oder wenn sie beginnen, ihre Aufmerksamkeit auf eine andere Aktivität zu richten.
    13. Um unstrukturierte Aktivitäten zu vermeiden, die die Stimulationseffekte beeinträchtigen können, verwenden Sie während des tDCS ein leichtes kognitives Engagement. Zum Beispiel können die Teilnehmer Übungsversuche mit kognitiven Aufgaben durchführen oder während der Stimulation einfache Gedächtnisspiele spielen (beginnend nach 3-5 Minuten Stimulation). Diese Art des kognitiven Engagements während der Stimulation hat das Potenzial, tDCS-Effekte zu fördern und hilft den Teilnehmern, den Geist von den tDCS-induzierten Hautempfindungen fernzuhalten.
    14. Bitten Sie den Teilnehmer, zu berichten, wie er sich während der Stimulation mehrmals fühlt (z. B. das Ausmaß der Unannehmlichkeit auf einer 10-Punkte-Skala alle 5 Minuten der Stimulation zu melden, 1 - völlig abwesend, 10 - sehr intensiv). Bei einigen Teilnehmern war während der Fade-in-Fade-out-Perioden mit höheren Unannehmlichkeiten (>6) zu rechnen. Wenn das Niveau der Unannehmlichkeit nach 5 Minuten hoch bleibt, brachen Sie die Stimulation ab.
    15. Nachdem der vordefinierte Protokolllauf abgelaufen ist, schalten Sie den Stimulator aus.
    16. Entfernen Sie zuerst die Schwammelektroden und entfernen Sie dann die Silikonkappe.
    17. Bitten Sie den Teilnehmer, die Checkliste für Die Empfindungen nach dem tDCS auszufüllen und sich über Nebenwirkungen zu melden, die nicht bereits aufgeführt sind.
    18. Reinigen Sie die Haut an den Stellen, an denen sie markiert wurde, und untersuchen Sie die Haut auf Veränderungen. Wenn es eine Hautreaktion gibt (z. B. lokale Vasodilatation, dh Hautrötung auf der Wange), überwachen Sie, wie sie verblasst, da es sich normalerweise um eine vorübergehende Reaktion bei Teilnehmern mit empfindlicher Haut handelt und innerhalb von 10-15 Minuten verschwinden sollte.
  3. Gedächtnisbewertung
    1. Um die Bewertung über die Teilnehmer hinweg zu standardisieren, verwenden Sie computergestützte Bewertungstools, z. B. Speicheraufgaben mit automatischer Bewertung. Mehrere WM-Aufgaben (z.B. verbale und räumliche 3-Back-Aufgabe) und AM-Aufgaben (verbales Paired Learning; Face-Word-Cued-Recall, Objektortung, etc.) finden Sie hier: https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408
    2. Um die Spezifität der tDCS-Effekte auf das Gedächtnis zu bewerten, ist es ratsam, Kontrollaufgabe(n) einzubeziehen, d.h. Aufgaben, die andere kognitive oder motorische Funktionen anzapfen.
  4. Beenden der experimentellen Sitzung/Studie
    1. Nach der (letzten) experimentellen Sitzung in der Studie bitten Sie die Teilnehmer, zu versuchen, die Sitzungen zu erraten, in denen sie echte und Scheinstimulation erhalten haben. Notieren Sie alle Antworten und prüfen Sie, ob die erhaltenen Anteile höher sind als die Zufallswahrscheinlichkeit. Wenn nicht, war die Blendung erfolgreich. Wenn die Teilnehmer in der Lage waren, echte von Scheinstimulation zu unterscheiden, analysieren Sie die Daten für diejenigen, die richtig erraten haben, und diejenigen, die nicht überprüft haben, ob die erfolglose Verblindung die tDCS-Effekte beeinflusst hat.
    2. In Übereinstimmung mit ethischen Richtlinien, die Teilnehmer nach Abschluss ihrer Beteiligung detailliert zu informieren.
  5. Nach der experimentellen Sitzung
    1. Waschen Sie die Schwämme mit fließendem Wasser und Seife, damit die Kochsalzlösung vollständig weggewaschen wird. Lassen Sie die Schwämme vollständig trocknen, bevor Sie sie weglegen.
    2. Verwenden Sie warmes Wasser und Alkohol, um alle wiederverwendbaren Materialien wie Kamm, Silikonkappe und Maßband zu reinigen.
    3. Machen Sie sich Notizen zu allen ungewöhnlichen, unerwarteten oder ungeplanten Ereignissen, die während der Sitzung aufgetreten sein könnten - einschließlich gerätefehlfunktionen, relevanter Kommentare des Teilnehmers, Unterbrechungen usw.

Representative Results

Das beschriebene Protokoll wurde in mehreren Studien in unserem Labor erfolgreich zur Verbesserung der Gedächtnisleistung eingesetzt. Ähnliche Protokolle wurden jedoch auch in anderen Forschungslaboratorien verwendet (siehe z. B.36,37).

Wenn es um das Arbeitsgedächtnis geht, haben unsere Ergebnisse gezeigt, dass 20 Minuten rechtsfrontales tDCS (F4-Position; konstanter Strom von 1,8 mA) die verbale WM verbesserten, während das gleiche Stimulationsprotokoll, das über den linken parietalen Kortex (P3-Standort) angewendet wurde, zu einer besseren räumlichen WM-Leistung führte. Im Gegensatz dazu wurden keine signifikanten Effekte gefunden, wenn das gleiche Stimulationsprotokoll über die linken frontalen (F3) und rechten parietalen (P4) Kortikale angewendet wurde. Abbildung 4 zeigt die repräsentativen Ergebnisse der Modellierung des von tDCS erzeugten elektrischen Feldes sowie die Leistungskennzahlen nach aktivem und Schein-tDCS basierend auf den in Živanović et al., 202138berichteten Daten.

Figure 4
Abbildung 4: (A) Auswirkungen konstanter anodalen tDCS des linken PPC (P3-kontralaterale Wangenmontage) auf die räumliche Arbeitsgedächtnisleistung (räumliche 3-Rücken-Aufgabe); (B) Auswirkungen konstanter anodalen tDCS des rechten DLPFC (F4-kontralaterale Wangenmontage) auf die verbale WM-Leistung (verbale 3-Rücken-Aufgabe). Die Abbildung zeigt die Simulation der durch tDCS induzierten elektrischen Felder, die Gliederung der Aufgabenversuche und die Leistung innerhalb der Probanden über aktive und Scheinbedingungen hinweg (die Werte sind auf die Reihenfolge der Sitzung zentriert, um ein Gegengewicht zu berücksichtigen, dh positive Werte zeigen eine überdurchschnittliche Leistung an, während negative Werte eine unterdurchschnittliche Leistung bei der Sitzung anzeigen). Die Simulation lokaler elektrischer Felder, die durch den Elektrodenaufbau erzeugt werden, erfolgt mit der COMETS2 MATLAB Toolbox 41. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Auswirkungen von parietalem tDCS auf das assoziative Gedächtnis waren konsistent und robust. Das heißt, in der Reihe der Experimente innerhalb der Probanden haben wir gezeigt, dass 20 Minuten tDCS über linkem PPC (P3-Position; konstanter Strom von 1,5 mA) das Gedächtnis für Gesichts-Wort-Assoziationen27,39,40verbessert . Abbildung 5 zeigt repräsentative Aufgaben und Ergebnisse. Darüber hinaus wurden vergleichbare Effekte auf DIE AM-Aufgabe beobachtet, bei der die Objekt-Orts-Assoziationen bewertet wurden, wenn der rechte PPC (P4-Standort) mit dem gleichen konstanten tDCS-Protokoll40stimuliert wird.

Figure 5
Abbildung 5: Auswirkungen konstanter anodalen tDCS des linken PPC (P3-kontralaterale Wangenmontage) auf die assoziative Gedächtnisleistung (A)Gesichtswortpaare; (B) Auswirkungen konstanter anodalen tDCS des linken PPC (P3-kontralaterale Wangenmontage) auf die assoziative Gedächtnisleistung (Anteil der korrekt abgerufenen Wörter auf Stichwort). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die fortgeschritteneren Protokolle wie theta-oszillatorisches tDCS wurden weniger umfassend untersucht, aber die Studie von Lang und Kollegen26 sowie die kürzlich in unserem Labor durchgeführte Studie27 zeigten eine Verbesserung der Gesichtswort-AM nach dem theta-oszillatorischen tDCS-Protokoll im Vergleich zu Schein. Die animierte Abbildung zeigt die Simulation des elektrischen Feldes, das durch theta oszillierendes tDCS über dem linken PPC induziert wird.

Video 1. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Anhang. Bitte klicken Sie hier, um diese Dateien herunterzuladen. 

Discussion

Das Ergebnis der tDCS-Studie zum Gedächtnis hängt von der Anzahl der Faktoren ab, von denen einige z.B. Homogenität/Heterogenität der Stichprobe, ausreichende statistische Aussagekraft, die Schwierigkeit der Gedächtnisaufgaben und motivation der Teilnehmer bereits diskutiert wurden (siehe Berryhill, 2014). Mehrere ausgezeichnete Arbeiten zur tDCS-Methode sowie allgemeinere Tutorials zur Anwendung von tDCS zur Untersuchung kognitiver Funktionen sind verfügbar und können auch gut auf die Gedächtnisforschung angewendet werden (siehe17,43,44,45,46,47). Hier werden wir uns auf die Aspekte des Protokolls konzentrieren, die aufgrund unserer Erfahrung relevant sind, aber oft übersehen oder an anderer Stelle nicht ausreichend detailliert diskutiert werden.

Platzierung der Rücklaufelektrode. Es ist wichtig zu beachten, dass die Rücklaufelektrode nicht passiv, sondern ein negativpolarer Anschluss (d. H. Kathode) ist. Daher kann es physiologische Effekte hervorrufen, die der Zielelektrode entgegengesetzt sind. Darüber hinaus hängt der Stromfluss sowohl von der Positionierung des Rücklaufs als auch von der Zielelektrode ab. Da der Strom auf dem Weg des geringsten Widerstands fließt, kann der Strom, wenn Anode und Kathode zu nahe beieinander liegen, nur über die Hautoberfläche und / oder durch die Zerebrospinalflüssigkeit zwischen den Elektroden fließen, wodurch das kortikale Gewebe unberührt bleibt. Aus diesen Gründen ist die sorgfältige Wahl der Rücklaufelektrode ebenso relevant wie die Position der Zielelektrode. Es gibt metaanalytische Beweise, die darauf hindeuten, dass extrakranielle Kathoden eher signifikante Effekte hervorrufen48. Die Positionierung der Rücklaufelektrode auf der kontralateralen Wange zur Gedächtnisverbesserung basierte auf der Stromflussmodellierung und wurde ausgewählt, um mögliche verwirrende Auswirkungen der Erzeugung negativer Polarität über funktionsinte irrelevante Hirnareale zu vermeiden. Die Positionierung der Rücklaufelektrode auf der kontralateralen Wange wurde in früheren WM-Studien erfolgreich verwendet (siehe36,37,38,49, sowie in AM-Studien27,39,40) und wurde als eine gute Wahl für tDCS-Montagen hervorgehoben, die darauf abzielen, andere kognitive Funktionen sowie45zu modulieren.

Blendend. Bei Einzelblindexperimenten sollte die Position des Stimulators und/oder der Überwachungsanzeige außerhalb der Sichtweite des Teilnehmers liegen, um eine Verblindung des Teilnehmers zu gewährleisten. Dies ist besonders wichtig, wenn Stimulatoren verwendet werden, deren Leuchten anzeigen, wenn das Gerät eingeschaltet ist und / oder Strom liefern. Für doppelblinde Designs (wenn sowohl teilnehmer als auch experimentator das protokollieren, das verabreicht wird) nicht bekannt sind, sollte man die Doppelblindoption oder eine ähnliche Option verwenden, die für ein bestimmtes Gerät verfügbar ist. Wenn eine solche Option nicht verfügbar ist, ist es eine gute Praxis, ein Zwei-Experimenter-Verfahren zu haben. Das heißt, ein Experimentator kommt nur herein, um das Stimulationsprotokoll auszuführen, während der andere Experimentator, der den Teilnehmer durch das Experiment führt, einschließlich der nachfolgenden Gedächtnisaufgabe und der Analyse der Daten, den Raum kurz vor und während der Stimulation verlässt. Nach methodischen Maßstäben werden Doppelblindexperimente den Einzelblind-Designs vorgezogen, da sie die Verzerrung oder die "Experimentator"-Effekte reduzieren. Dies ist bei der Durchführung klinischer Studien und/oder der Verwendung der interviewbasierten Bewertungen kognitiver Funktionen von hoher Relevanz. Die Verblindung des Experimentators ist jedoch weniger ein Problem, wenn die Teilnehmer hoch motiviert sind, ihre Leistung zu maximieren (was hauptsächlich bei der Gedächtnisbewertung oder der kognitiven Verbesserung im Allgemeinen der Fall ist) und wenn die Aufgabe automatisch verwaltet und bewertet wird (dh wenn der Experimentator in der Bewertungsphase wenig bis gar keine Intervention hat).

Aktivität während tDCS. Autoren von tDCS-Papieren berichten selten darüber, was die Teilnehmer während der Stimulation taten. Wenn die Aktivität nicht gemeldet wird, wird normalerweise impliziert, dass die Teilnehmer angewiesen wurden, bequem zu sitzen und sich zu entspannen. Das Fehlen einer strukturierten Aktivität stellt jedoch die Quelle des unkontrollierbaren "Rauschens" in den Experimenten dar. 20 Minuten sind nämlich ziemlich lange, so dass einige Teilnehmer die Zeit nutzen können, um sich zu entspannen (mit der Möglichkeit, sogar einzuschlafen), während andere sich auf tDCS-Empfindungen konzentrieren oder anfangen zu grübeln oder übermäßig über einige tDCS-nicht verwandte Themen nachzudenken. Es gibt Hinweise darauf, dass funktionsrelevante, aber nicht ermüdende Aktivitäten, die während des tDCS durchgeführt werden, das Potenzial haben, tDCS-Effekte zu fördern50. Aus diesen Gründen führen die Teilnehmer in unseren Experimenten entweder Übungsversuche der Gedächtnisaufgaben durch, die als Ergebnismessungen verwendet werden sollen, oder ähnliche Gedächtnisaufgaben. Übungsversuche sind eine gute Wahl, da sie die gleichen neuronalen Netze wie die Zielfunktion nutzen, aber einfacher und daher für die Teilnehmer nicht frustrierend oder ermüdend sind. Darüber hinaus ist die Durchführung von Übungsversuchen während der Stimulation in dem Sinne wirtschaftlich, dass die Testzeit nach tDCS verkürzt wird, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Studiendesign mehrere Aufgaben umfasst, die nach dem tDCS zu erledigen sind. Die Übungsversuche sind jedoch in der Regel viel kürzer als 20 Minuten, daher müssen auch alternative Aktivitäten vorgestellt werden. Zu diesem Zweck haben wir gängige Memory-Spiele40verwendet, die die Teilnehmer konzentriert halten, ihnen helfen, die Zeit zu vertreiben und den Geist von den tDCS-induzierten Empfindungen fernzuhalten und sie insgesamt komfortabler in der Testumgebung zu machen. Einige Dinge, die bei der Auswahl der Speicheraufgabe, die während des tDCS ausgeführt werden soll, zu beachten sind, sind, dass die Aufgabe nicht schwierig, aber auch nicht langweilig sein sollte (adaptive Aufgaben, die auf 80% Erfolgsrate eingestellt sind, sind in diesem Zusammenhang gut); Die Aufgabe sollte nicht über das Material verfügen, das die nachfolgende Gedächtnisbewertung beeinträchtigen könnte (z. B. kann man bei der Beurteilung des Gedächtnisses für Gesichter und Wörter abstrakte Bilder / Formenpaare verwenden). Eine weitere wichtige Frage ist die Dauer der "Gewöhnungszeit", d.h. wie lange nach Beginn der Stimulation die Teilnehmer mit der Durchführung der "Ablenkungsaktivität" beginnen sollten. Es gibt individuelle Unterschiede in der Intensität der Empfindung und gewöhnungszeiten, aber die Mehrheit der Teilnehmer wird bereit sein, die Aktivität nach 3-5 Minuten Stimulation zu beginnen.

Hautempfindungen. Einige Teilnehmer können empfindlicher auf kutane tDCS-Effekte reagieren und daher über erhöhte Beschwerden berichten, obwohl dies nicht sehr oft vorkommt. Es ist wichtig, die Teilnehmer über mögliche Empfindungen zu informieren, die sie vor dem Experiment erleben könnten. Wenn jemand Angst vor dem Eingriff hat, lassen wir die Teilnehmer oft den Strom an ihrer Hand "fühlen", bevor sie die Schwämme auf den Kopf legen. Die Teilnehmer sollten kontinuierlich überwacht und gebeten werden, in regelmäßigen Abständen Feedback zu ihrem Komfort und ihren Empfindungen zu geben. Wenn der Teilnehmer ein erhöhtes Maß an Unbehagen meldet, bieten Sie immer an, das Experiment abzubrechen. Es ist wichtig, dass sich die Teilnehmer bewusst sind, dass die Stimulation jederzeit gestoppt werden kann, wenn sie darum bitten. Wenn der Teilnehmer beschließt, die Stimulation zu stoppen, sollte der Strom langsam heruntergedreht werden (eine abrupte Aufhebung des Stimulationsprotokolls kann noch stärkere Empfindungen hervorrufen). Es wird oft empfohlen, dass bei unangenehmen Empfindungen die aktuelle Intensität vorübergehend auf das höchste angenehme Niveau gesenkt wird, bis sich der Teilnehmer anpasst, und dann allmählich zur Zielintensität zurückkehrt. Dies scheint eine geeignete Alternative zum Stoppen des Stimulationsprotokolls zu sein, insbesondere wenn tDCS im klinischen Umfeld verwendet wird. Wenn tDCS jedoch für die Forschungszwecke und insbesondere in relativ kleinen Stichproben verwendet wird, ist es wichtig, dass alle Teilnehmer das gleiche Verfahren durchlaufen. Daher wird das Stoppen des Experiments vorgezogen, um die Intensität der Stimulation für einige Teilnehmer für einige Zeit zu senken.

Berichterstattung über die tDCS-Methodik und Überwachung auf potenzielle Störfaktoren. Das tDCS-Forschungsfeld ist in Bezug auf Methoden und Maßnahmen sehr heterogen, daher ist es wichtig, alle Aspekte des tDCS-Verfahrens, einschließlich des Verblindungsverfahrens und der Bewertung, klar zu berichten; die Kopfpositionierung des Ziels sowie die Position der Rücklaufelektrode; Größe und Form der Elektroden; Art der verwendeten leitenden Substanz (Kochsalzlösung oder Gel); die Stromstärke (mA) und Dichte (mA/cm2)sowie die Dauer der Ein-/Ausblendzeit; die gemessenen Impedanzwerte; die Dauer der Stimulation (einschließlich der Ein-/Ausblendphase); die detaillierte Darstellung der Aktivitäten, an denen die Teilnehmer während der Stimulation beteiligt waren; das Timing und die Dauer der kognitiven Aufgaben nach der Stimulation (einschließlich Pausenzeiten, falls vorhanden). Diese Art von Informationen erleichtert die Standardisierung und systematische Analyse der veröffentlichten Studien (siehe aktuelle Übersicht zum Beispiel51). Die Aspekte, über die selten berichtet wird, sind die Auswirkungen potenziell moderierender / verwirrender Variablen wie die Tageszeit der tDCS-Sitzung, der grad der von den Teilnehmern berichteten Müdigkeit / Stimmung, der Erfolg der Verblindung (dh Überzeugungen über die Art der Stimulation, die sie erhalten), die Reihenfolge der experimentellen Sitzungen in Designs innerhalb des Subjekts usw. Es wurde berichtet, dass die meisten dieser Variablen die Auswirkungen von tDCS modulieren, aber ihre Wirkung bleibt untererforscht und inkonsistent berichtet. Daher sollten tDCS-Studien sicherstellen, dass potenziell verwirrende Variablen gesammelt und darüber Berichtet wird. Einzelheiten zu bewährten Verfahren sind den Tabellen 10A, 10B, 11 von Antal und Kollegen34 zu entnehmen.

Die Anwendung des beschriebenen Protokolls für anodales tDCS entweder in seinem Standard oder noch mehr in seiner fortgeschrittenen Form (d.h. oszillatorisch-moduliertes tDCS) bietet nicht nur ein Mittel zur Verbesserung der Gedächtnisfunktionen (und zum zukünftigen Einsatz in klinischen Populationen), sondern ermöglicht auch die Untersuchung der Neurobiologie der funktionellen neuronalen Netze hinter diesen Funktionen.

Disclosures

Autoren haben keine widersprüchlichen Interessen offenzulegen

Acknowledgments

Diese Forschung wurde unterstützt vom Wissenschaftsfonds der Republik Serbien, PROMIS, Förderkennzeichen #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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Baddeley, A. Working memory: Looking back and looking forward. Nature Reviews Neuroscience. 4, 829-839 (2003).
  2. Aurtenetxe, S., et al. Interference Impacts Working Memory in Mild Cognitive Impairment. Frontiers in Neuroscience. 10, 443 (2016).
  3. Chen, P. C., Chang, Y. L. Associative memory and underlying brain correlates in older adults with mild cognitive impairment. Neuropsychologia. 85, 216-225 (2016).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Chalfonte, B. L., Johnson, M. K. Feature memory and binding in young and older adults. Memory & Cognition. 24, 403-416 (1996).
  8. Livingston, G., et al. Dementia prevention, intervention, and care: 2020 report of the Lancet Commission. Lancet. 396, 413-446 (2020).
  9. Dharmarajan, T. S., Gunturu, S. G. Alzheimer's disease: A healthcare burden of epidemic proportion. American Health & Drug Benefits. 2, 39-47 (2009).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Malkani, R. G., Zee, P. C. Brain Stimulation for Improving Sleep and Memory. Sleep Medicine Clinics. 15, 101-115 (2020).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of Transcranial Direct Current Stimulation. Journal of ECT. 34, 144-152 (2018).
  19. Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9, 641-661 (2016).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Bai, S., Loo, C., Dokos, S. A review of computational models of transcranial electrical stimulation. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 41, 21-35 (2013).
  24. Esmaeilpour, Z., et al. Methodology for tDCS integration with fMRI. Human Brain Mapping. 41, 1950-1967 (2020).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Pahor, A., Jaušovec, N. The effects of theta and gamma tacs on working memory and electrophysiology. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 651 (2018).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128, 1774-1809 (2017).
  35. Mayer, J. D., Gaschke, Y. N. The experience and meta-experience of mood. Journal of Personality and Social Psychology. 55, 102-111 (1988).
  36. 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).
  37. Berryhill, M. E., Jones, K. T. tDCS selectively improves working memory in older adults with more education. Neuroscience Letters. 521, 148-151 (2012).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Berryhill, M. E. Hits and misses: leveraging tDCS to advance cognitive research. Frontiers in Psychology. 5, (2014).
  43. Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clinical EEG and Neuroscience. 43, 192-199 (2012).
  44. 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).
  45. 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).
  46. Santarnecchi, E., et al. Enhancing cognition using transcranial electrical stimulation. Current Opinion in Behavioral Sciences. 4, 171-178 (2015).
  47. Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127, 1031-1048 (2016).
  48. Imburgio, M. J., Orr, J. M. Effects of prefrontal tDCS on executive function: Methodological considerations revealed by meta-analysis. Neuropsychologia. 117, 156-166 (2018).
  49. Lally, N., Nord, C. L., Walsh, V., Roiser, J. P. Does excitatory fronto-extracerebral tDCS lead to improved working memory performance. F1000Research. 2, (2013).
  50. 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).
  51. 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).

Tags

Neuroscience Ausgabe 175
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) zur Gedächtnisverbesserung
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bjekić, J.,… More

Bjekić, J., Živanović, M., Filipović, S. R. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement. J. Vis. Exp. (175), e62681, doi:10.3791/62681 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter