用于调节人体运动神经元活动的无创脑电刺激

摘要

资料来源：Curado， M. 等人，用于调节人类运动功能的非侵入性脑电刺激蒙太奇。J. Vis. Exp.（2016年）

该视频演示了经颅直流电刺激 （tDCS） 用于调节人体运动功能的设置和机制。通过将阳极放置在初级运动皮层上，将阴极放置在对侧眶上区域，有针对性的电刺激增加了皮质兴奋性，增强了运动神经元活动并改善了运动性能。

方案

所有涉及人类参与者的程序均已按照机构、国家和国际人类福利准则执行，并已经过当地机构审查委员会的审查。

1. 安全筛查

筛选

1. 参与者是否有无创脑刺激的潜在禁忌症，例如使用问卷调查。

2. 运动皮层定位

1. 通过两种不同方法之一定位参与者的手部运动皮层：通过经颅磁刺激 （TMS） 诱导的运动诱发电位 （MEP） 定位感兴趣肌肉的大脑表征，或通过定位标准初级运动皮层 （M1） 位置 （C3/C4） 基于脑电图 （EEG） 10/20 国际系统用卷尺。
2. 对于 TMS 诱导的 MEP 记录，要求参与者移除任何可能受 TMS 磁场影响的物体，包括信用卡、手机和一般金属物体。
3. 让参与者舒适地坐着。
4. 使用软件界面时，验证肌电图 （EMG） 放大器与用于信号配置和采集的计算机之间的连接。
5. 打开 EMG amp升压器并连接 EMG 电极电缆。
用
6. 皮肤准备膏在放置电极的手部区域轻轻擦拭，清洁参与者的皮肤。用干净的纱布垫去除多余的部分。
将肌
7. 电图表面电极以腹部肌腱蒙太奇方式连接到感兴趣的手部肌肉（例如，右手拇短外展肌）并连接接地电极（例如，在前臂上）。该研究的目的是确定使用哪种手部肌肉。
   注意：对于可重复使用的电极，有必要在电极表面涂抹少量导电膏，然后再将其附着在参与者的皮肤上。
8. （可选步骤）如果需要 MEP 数据存储，请启动用于 MEP 采集的记录软件。
9. 检查 EMG 阻抗值。确保阻抗< 20 kOhm。
打开
10. 磁刺激器并按相应的"充电"按钮为电容器充电。
将
11. 8 字形 TMS 线圈放在参与者的头皮上，位于半球间裂上，并将其移动到运动皮层区域（EEG 10/20 国际系统的 C3/C4 位置周围）。将TMS线圈以45°-50°角固定，以参考半球间裂隙，手柄向后，产生从后到前的皮质电流。
    注意：两种不同的TMS线圈用于运动皮层定位：八字形或圆形线圈。如果可能，请使用八字形线圈，因为它可以提供更多的局部脑刺激和皮质兴奋性测量的更高可靠性。
12. 当磁刺激器充电（在显示屏上可见）时，通过按下触发按钮或踩踏开关或通过软件程序自动释放刺激器。随后，这将通过放置在参与者头皮上的连接的 TMS 线圈传递单个 TMS 脉冲。默认的TMS脉冲设置（例如，感应电流的上升时间为100 μs，单相刺激的衰减时间为800 μs;双相刺激的衰减时间较短）特定于器件（固件）。
从
13. 低刺激强度开始（例如，使用刺激器上的刺激强度控制器旋钮将强度设置为 45% 输出），并观察 EMG 放大器上可见的 MEP。
    1. 如果看不到 MEP，则以 2-5% 的步长增加刺激强度，直到 MEP 清晰存在（例如，0.5-1 mV 幅度）。如果脉冲传递不是自动化的，则通过按下触发按钮或激活脚踏开关来重复刺激。告知参与者刺激会稍微强一些，并且预计会出现肢体运动、面部抽搐和眨眼。
       注意：脉冲之间至少间隔 5 秒，以避免低频刺激对大脑兴奋性的影响。
在
14. 初始受刺激部位周围以 1 厘米的步长径向移动线圈，以找到应用单个 TMS 脉冲后具有最大 MEP 响应的点。从那里，再次开始移动线圈以固定"热点"（具有最大 MEP 幅度的皮质区域）。
    注意：不建议在定位过程中使用头盖（例如，用于网格标记），因为需要取下盖子才能放置无创脑电刺激 （NEBS） 电极，并且热点位置可能会丢失。
15. 使用刺激器上的刺激强度控制器旋钮以大约 2% 的步长降低刺激强度（MEP 必须仍然存在）。这将避免由于超最大刺激而导致的不准确性。通过围绕热点径向移动线圈 1 厘米并检查 MEP 尺寸来重新确认热点。热点仍应对应于最大和最一致的 MEP 幅度。
    注意：如果热点难以找到（例如，在高刺激强度下不存在 MEP），请参与者自愿收缩感兴趣的肌肉。通过这样做，引发 MEP 所需的刺激强度降低，并且可能更容易识别相关的皮质刺激位点。如果使用这种方法，请参与者在找到相关刺激部位后放松肌肉并调整刺激强度，以便在肌肉休息时找到可靠的 MEP。继续查找热点。
16. 用非永久性皮肤标记标记热点位置和线圈方向。
17. 对于双侧 M1 刺激，对对侧肢体重复步骤 2.11 至 2.16。

3. NEBS 电极准备

：

1. 将电缆连接到橡胶电极，并将电极放入海绵袋内。确保电极尺寸和海绵袋尺寸匹配。材料有标准尺寸（例如，5x5 cm²、5x7 cm²）的
市售。用
2. 等渗氯化钠 （NaCl） 溶液浸泡海绵袋的两面，但避免过度浸泡，以防止盐桥或滴到志愿者身上。
   1. 此步骤是可选的：为防止在使用绷带代替橡皮筋时泄漏 NaCl 溶液，请将电极和海绵袋放在非导电橡胶海绵盖内。
      注意：或者，用导电膏覆盖橡胶电极并将其直接放在参与者的头上，即不要使用海绵袋或橡胶海绵盖。

4. NEBS电极放置（图1）

1. 找到指示运动皮质热点的头部标记，并将该区域周围的毛发分开。
2. 为了提高电导率，请在放置电极之前用浸有 40-50% 酒精或皮肤准备膏的棉签轻轻擦拭头部标记周围的皮肤区域来清洁皮肤。不要抓伤皮肤！用拭子去除多余的部分，并用等渗 NaCl 溶液再次清洁该区域。之后擦干该区域。
   注意：确保头部标记保持可见;如果需要，请备注。
将
3. 一个电极放在感兴趣的 M1 的头部标记之后（与感兴趣的手相对）。使海绵尽可能直接接触皮肤。将电极电缆朝向参与者的背部，以避免在刺激和/或任务执行过程中受到干扰，并轻松连接到 NEBS 设备。
   注意： 电极下方的头发应该变湿。如果头发过度湿润，请使用纸或手巾吸收多余的头发。
   注意：对于阳极 tDCS，放置在感兴趣的运动皮质热点上的电极（需要增加兴奋性）对应于阳极，通常连接到红色电缆。阴极（通常连接到黑色或蓝色电缆）放置在相对的眶上区域或 M1（见下文）。传统上，经颅随机噪声刺激（tRNS）的电极放置是相同的，尽管在经典协议中，由于交流电流，没有极性特异性。如果刺激设置包括刺激偏移，则特定放置可能很重要。
4. 对于单侧 M1 刺激，将第二个电极（对于阳极 tDCS：阴极）放置在对侧眶上区域（对应于 EEG 10/20 国际系统中的电极 Fp2）上。确保电缆朝向参与者的背部。
用
5. 弹性绷带在中外侧方向上圆圈覆盖头部两次，以稳定M1电极，然后用剩余的绷带在前后方向上圆圈覆盖头部，以稳定两个电极。
6. 使用胶带固定绷带的末端。
7. 用胶带将电缆固定在参与者的脖子或衬衫上。
将
8. 电极电缆连接到 NEBS 设备。

5.

1. NEBS 设备上的刺激开关。
2. 调整有关刺激类型（tDCS 或 tRNS）、强度（例如 1 mA、1.5 mA 或 2 mA）、持续时间（例如 10-40 分钟）、上升和下降（刺激开始和最大强度之间的时间，通常为 8-15 秒）以及与刺激类型相关的其他因素（例如，tRNS 的频谱）。
   注意：传统上，假刺激包括立即增加刺激，然后逐渐减少。因此，参与者感受到了刺激，但刺激的持续时间不足以对大脑功能产生持久影响。一些 NEBS 设备包括一种研究模式，允许通过输入特定于研究的受试者代码来对参与者和研究者进行盲法。该代码会自动确定刺激设置。或者，第二个实验者可以在每个会话中设置刺激设置并覆盖进行刺激的实验者的显示器。
3. 告知参与者与 NEBS 相关的潜在副作用。常见的不良反应包括电极下方的皮肤瘙痒/刺痛或烧灼感、头痛和不适。烧灼感可能是电极与皮肤接触不良的迹象。
4. 开始刺激。
   注意：根据调查皮质兴奋性变化的报告，常见的刺激持续时间持续约 10-20 分钟（参见代表性结果部分）。根据经验，最大刺激持续时间设置为 40 分钟。
5. 检查加速和刺激期间刺激的连续性。如果阻抗过高或电极与皮肤接触不良，刺激可能会自动终止。
   注意：如果阻抗过高或参与者报告在刺激过程中感到不适感增加，请尝试通过降低阻抗，例如，更好地将电极固定在刺激部位或添加导电介质。NaCl 溶液可以在将海绵放置在头部后直接使用注射器添加到海绵中。
   注意：出于安全原因，一些设备会报告整个刺激过程中的阻抗。如果阻抗达到特定阈值（例如，55 kOhms），NEBS 器件可能会关闭。

结果

图 1.不同 NEBS 策略的电极蒙太奇和电流方向。（A）对于单侧阳极经颅直流电刺激（tDCS），阳极位于感兴趣的初级运动皮层上，阴极位于对侧眶上区域上方。（B）对于双侧运动皮层刺激，阳极和阴极位于运动皮层上方。阳极的位置决定了阳极 tDCS 感兴趣的运动皮层。（C）对于单侧经颅随机噪声刺激（tRNS），一个电极位于运动皮层上方，另一个电极位于对侧眶上区域。电极之间的电流由黑色箭头表示。阳极（+，红色）、...

材料