HD-transkraniell likström stimulering (HD-TFF), med dess 4×1-ring montage, är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik som kombinerar både neuromodulatory effekterna av konventionella TFF med ökad focality. Denna artikel ger en systematisk demonstration av användningen av 4×1 HD-TFF, och de överväganden som krävs för säker och effektiv stimulering.
HD-transkraniell likström stimulering (HD-TFF) har nyligen utvecklats som en non-invasiv hjärnstimulering tillvägagångssätt som ökar noggrannheten i nuvarande leverans till hjärnan med hjälp av kedjor av mindre "HD-"-elektroder, i stället för den större pad- elektroder av konventionella TFF. Inriktning åstadkommes genom aktivering elektroder placerade i förutbestämda konfigurationer. En av dessa är den 4×1-ringen konfiguration. I detta tillvägagångssätt används en centrera ringelektrod (anod eller katod) som ligger över målet kortikala regionen omgiven av fyra returelektroder, som hjälper begränsa området för stimulering. Leverans av 4×1-ring HD-TFF kan inducera betydande neurofysiologiska och kliniska effekter hos både friska försökspersoner och patienter. Dessutom är dess tolerans stöds av studier med intensiteter så hög som 2,0 milliampere för upp till tjugo minuter.
Även om 4×1 HD-TFF är enkel att prestandam, är korrekt elektrod placering viktig för att korrekt stimulera mål kortikala regioner och utöva sina neuromodulatory effekter. Användningen av elektroder och hårdvara som specifikt har testats för HD-TFF är avgörande för säkerhet och tolerabilitet. Med tanke på att de flesta publicerade studier på 4×1 HD-TFF har riktat den primära motoriska cortex (M1), särskilt för smärtrelaterade resultat, är syftet med denna artikel att systematiskt beskriva dess användning för M1 stimulering, liksom de överväganden som bör vidtas för säker och effektiv stimulering. Däremot kan de metoder som beskrivs här kan anpassas för andra HD-TFF konfigurationer och kortikala mål.
Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik med förmåga att modifiera neuronal vila membranpotential och nivån på spontana neuronaktivitet inom området för stimulering samt i sammankopplade neurala nätverk 1 inklusive den endogena μ-opioidsystem 2, därigenom modulerande kortikal retbarhet. De neuromodulatory effekter TFF, i kombination med dess låga kostnader, enkel tillämpning och portabilitet, har lett till dess omfattande användning under det senaste decenniet i en mängd olika inställningar. Dessa har inkluderat neurofysiologiska studier, kognitiva och beteendemässiga interventioner och tålmodiga undersökningar för att bedöma sjukdomar såsom kronisk smärta, depression, migrän, stroke, Parkinsons sjukdom och tinnitus 3. Men (DC) leverans av likström utförs med stora kuddar, vanligast mellan 25-35 cm 2, vilket stimulerar relativt breda områden av hjärnbarken som ligger mellan anoden och katoden 4. Därför är fokus stimulering av mål kortikala regioner, som inte innebär stimulering av närliggande anatomiska områden, svårt att uppnå med denna teknik. Flera metoder har undersökts i syfte att "forma" strömmen genom att variera avståndet mellan elektroderna 5 och ökande / minskande pad storlek för att minska / öka moduleringen i kortikala regioner under elektroden 6. Trots insatser för att ytterligare mål strömmen samtidigt undvika shuntning av ström mellan elektroderna 7,8 kvar av intresse.
High-Definition (HD)-TFF är en nyutvecklad ingripande som använder matriser av mindre, speciellt konstruerade elektroder 9. Olika konfigurationer har testats, som kan ändras i syfte att förbättra stimulering av mål 10. Bland dem är det 4×1-ringen konfiguration, ett montage som använder en mittelektrod överliggande målet kortikala region omgivengenom fyra returelektroder 4. Mittelektroden definierar polariteten av stimuleringen som antingen anod eller katod, och radierna för returelektroder begränsa det område som genomgår retbarhet modulering. Brain modellering studier visar att området cortex genomgår modulering med 4×1 HD-TFF-konfiguration är mer begränsad jämfört med vanliga bipolära montage av konventionella TFF 4. Dessutom är dess focality robust till vävnad (modellering) parametrarna 11. Kliniska neurofysiologiska studier med 4×1-ring transcranial elektrisk stimulering bekräftar fokal aktuell leverans 12.
De potentiella tillämpningarna av detta ingripande liknar dem hos konventionella TFF. Beteende och neurofysiologiska studier med 4×1-ring HD-TFF över primära motoriska cortex (M1) anmäla förändringar i kortikala retbarhet 13 och efter-effekter som kan överleva dem genom framkallas av konventionella TFF 14. Aktuella studier med 4×1-ring HD-TFF stödja dess tolerans i både friska försökspersoner 13-15 och patienter 16 när stödnivåer så hög som 2,0 milliampere (mA) levereras i upp till tjugo minuter. Även om HD-TFF tolereras väl, är det viktigt att endast använda apparater och elektroder som har testats specifikt för detta ändamål.
Syftet med denna artikel är att ge en systematisk demonstration av användningen av 4×1-ringelektroder för HD-TFF. Stimulering av M1 valdes, eftersom det är den vanligaste montage används i olika kliniska forskningssammanhang. Däremot kan de beskrivna metoderna anpassas för inriktning av andra delar av hjärnan såsom dorsolaterala prefrontala cortex (DLPFC). Som visas här, är korrekt elektrod placering enkla att utföra men viktig för att korrekt stimulera mål kortikala regioner. Vi hoppas att denna demonstration kommer att bidra till att stödja och öka stringensen i framtida HD-TFFförsök, vilket kommer att ge ytterligare bevis på de mekanismer och tillämpningar av denna roman ingripande.
Kritiska steg
Aspekter som ska kontrolleras före start av proceduren
Innan du påbörjar stimuleringen, bör forskarna se till att deltagaren har inga kontraindikationer för HD-TFF. Tabell 1 listar några viktiga överväganden som måste beaktas och sammanfattar de viktigaste kontraindikationer, inklusive förekomst av metalliska implantat eller anordningar i huvudet, allvarlig hjärnskador eller betydande hudlesioner. Forskaren bör inspektera för närvaron av den senare i 4×1-ringen omkrets samtidigt förbereda sig för elektrod placering. Vi rekommenderar inte tillämpning av teknik om sådana skador föreligger. Detta är viktigt eftersom, även hudlesioner inte har rapporterats vid användning av HD-elektroder och hus som visas i den här artikeln, har hudskador rapporterats efter leverans av flera på varandra följande sessioner konventionella TFF 3, särskilt om det utförs overa 14 dagar 25.
Förekomsten av metalliska implantat eller defekter i skallen eller hjärnparenkymet kan avsevärt ändra strömmen 17,26 och resultera i stimulering av kortikala regioner andra än de avsedda. Av säkerhetsskäl bör stimulering undvikas hos patienter med implanterade medicinska apparater. Relativa kontraindikationer inkluderar förekomst av epilepsi eller slaganfall, om inte undersökningen är speciellt inriktad på att studera dessa villkor. HD-TFF bör undvikas hos gravida kvinnor på grund av brist på data avseende säkerhet.
Det är av yttersta vikt att kontrollera polariteten på kablarna när du ansluter 4×1 Adapter Multichannel Stimulans till den konventionella TFF enheten. Underlåtenhet att göra detta kan resultera i att leverera fel typ av stimulans till deltagaren. Kontrollera att kabeln märkt som "Center", vilket ofta kan vara röda, är ansluten till rätt terminal (anod eller katod).
Operatören ska också visuellt inspektera Ag / AgCl sintrade ringelektroder för bevis för avsättning av elektrolysprodukter före varje användning och byt ut dem om indicerat. Efter varje aktiv stimulering session, produkter av elektrokemiska reaktioner tenderar att byggas upp på den grova ytan på botten av elektroderna. Av denna anledning rekommenderas det att varje elektrod placerad i mitten av 4×1 konfiguration för två aktiva stimulering sessioner bara. Därefter kan den vridas och användas som en av de returelektroder. När var och en av de fem elektroder i en uppsättning har fungerat som centrum elektrod två gånger, är det rekommenderat att använda en ny uppsättning elektroder. Det är enkelt att märka varje elektrod och registrera antalet användningar för att rotera dem på ett samordnat sätt. Förutom tolerans, är det (begränsade) rotation av elektroder också syftar till att undvika en hög impedans fall där strömmen kommer inte att delas lika acrOSS de fyra neutralelektroder. Operatören är ansvarig för att kontrollera kontakten kvalitet före stimuleringen (som förklaras i steg från 5,12 till 5,14), och se till att inga onormalt höga motståndsvärden observeras.
Det kan inträffa att deltagarna flyttar sina huvuden överdrivet eller oavsiktligt dra kablarna och lossa eller bryta dem. Av denna anledning är det lämpligt att slinga varje kabel runt sin plasthölje och att tejpa 4×1 adapterns utgående kabel till en yta (dvs. stolen eller deltagarens kläder).
Om så önskas, kan det vara möjligt att lägga lokalbedövningsmedel till hårbotten för att förhindra potentiellt obehagliga förnimmelser och öka igensättning av deltagarna i studien. Det bör dock hållas i minnet att även om brännskador inte har rapporterats med HD-TFF, kan det finnas en liten teoretisk risk för denna biverkning och användningen av lokalbedövningsmedel kan hindra deltagarna från rAPPORTERING den under stimulering. I denna demonstration, liksom i våra tidigare studier har vi använt inte lokalbedövningsmedel som något obehag i allmänhet rapporterades vara lindriga.
Såsom nämnts ovan, för att få optimala resultat är det mycket viktigt att förhindra att den elektriska gelén från att spridas utanför gränserna för plasthöljet. Annars nuvarande styrka shunt från en elektrod till en annan.
Viktiga överväganden under stimulering
Om inte detta krävs som en del av studiedesign, bör ämnet inte sova, läsa eller på annat sätt distraherad under stimulering sessionen. Detta är viktigt eftersom det har rapporterats att intensiv kognitiv ansträngning, tristess eller sova, muskelaktivering och andra verksamheter som leder till förändringar i kortikala retbarhet kan resultera i förändrade och motsatta effekterna av konventionella TFF 27.
Vid initiering av stimulation, och för att förhindra biverkningar från plötslig start av strömmen, enheten automatiskt ramper ström upp och ner över en period av trettio sekunder. Av liknande skäl, byt inte mellan "Pass" och "Scan"-lägen medan den konventionella TFF enheten genererar ström. Det är alltid klokt att regelbundet ställa frågor om de känner sig bekväma med det förfarande för att se till att stimuleringen går säkert.
Stimulering hos känsliga befolkningsgrupper, däribland pediatriska patienter, kan kräva dosjustering.
Praktiska aspekter efter ingreppet
För att samla in ytterligare bevis på säkerheten och övervaka HD-TFF effekter, rekommenderar vi att du använder en negativ effekt enkät som den som visas i tabell 3, som ska levereras till deltagarna efter varje session. Se till att screena med avseende på närvaro av de vanligaste adverse effekter associerade med HD-TFF, såsom obehag, stickningar, klåda och brännande känsla. Dessutom kan meningsfullhet dessa uppgifter förbättras genom att även be om kvantitativa subjektiva värderingar. Detta kan uppnås genom att ha en numerisk skala för patienter att rapportera intensiteten eller styrkan av de negativa effekter, till exempel från 1 till 5 eller från 1 till 10. Det är också viktigt att leverera frågeformuläret bieffekt efter varje sham session. Detta möjliggör att jämföra frekvensen av biverkningar associerade med både aktiv och hycklar stimulans. För konventionella TFF, har vissa biverkningar rapporterats vara ännu mer frekvent i simulerad grupp 24, huvudvärk är ett exempel.
Möjliga ändringar
För 4×1 HD-TFF får stimuleringsprotokoll utformas involverar olika målpunkter, strömpolariteten och intensitet, och radie av ringen. Som en allmän regel kommer att öka 4×1 ringdiameter increase djupet av penetration och maximal intensitet under ringen 28. Omvänt minskar ringradie ökar focality men minskar inducerade hjärnan elektriskt fält. Därför behövs ytterligare utredning av optimal dos per indikation motiverat.
Även denna artikel är inriktad på 4×1-ring HD-TFF, kan andra elektroden distributioner också användas, såsom 4×2 och 3×3 (dual band), bland andra. Även HD-TFF erbjuder många alternativ för anpassning,, metoder för positionering och förbereda elektroder, som beskrivs här bör följas tillsammans med att bara använda hårdvara och tillbehör som specifikt har testats för detta ändamål. Detta inkluderar särskilt uppmärksamma HD plasthölje design, gel, och elektroder. Till exempel har elektroder andra än Ag / AgCl sintrad ring också testats för att leverera DC, såsom Ag pellet, Ag / AgCl pellet, Ag / AgCl-skiva och gummi pelleten 9. Men både Ag och gummi pellets elektroderna inducerard förändringar i pH, och ökningar i temperatur och elektrodpotential rapporterades för alla elektroder utom Ag / AgCl ring och skiva. Det förefaller därför att Ag / AgCl ringelektroder kan vara ett effektivt och säkrare metod. I framtiden, kan modifieringar av det tillvägagångssätt som beskrivs i detta dokument också användas för att leverera insatser som transcranial växelström stimulering.
Begränsningar
Vid denna punkt förblir rollen av 4×1-ring HD-TFF polaritet på kortikal retbarhet oklar. Även neurofysiologiska studier har rapporterat att både 1,0 mA och 2,0 mA för Anodal 4×1-ring HD-TFF lett till höjda kortikala retbarhet hos friska försökspersoner 13,14, är en större mängd bevis särskilt behandlar HD-TFF studier behövs innan någon generalisering kan göras. Dessutom är det anmärkningsvärt att effekterna av kortikala retbarhet modulering med 4×1-ring HD-TFF kan vara tidsberoende, når sin ärtak flera minuter efter slutet av stimuleringen och inte omedelbart efter 14,16. Därför kan sekventiella bedömningar över olika tidpunkter efter interventionen att behövas för att få tillförlitliga resultat.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Kayleen Weaver för redaktionell hjälp, Alexandre Venturi för volontärarbete för denna video, Dennis Truong för att tillhandahålla en av de siffror som används i denna artikel, och Wallace H. Coulter stiftelsen för stödet för att genomföra detta arbete. MS Volz finansieras av en doktorand stipendium från Deutsche Schmerzgesellschaft eV [tyska avdelningen av International Association för studiet av Pain (IASP)].
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
One conventional tDCS device (Soterix 1×1 Low-intensity DC Stimulator) | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | 1300A | |
One 4×1 Multichannel Stimulation Adapter | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | 4X1-C2 | |
Four 9V batteries | Many manufacturers available | ||
One modular electroencephalogram recording cap | EASYCAP GmbH, Germany | EASYCAP | |
Five Ag/AgCl sintered ring electrodes | Stens Biofeedback Inc., San Rafael, CA, USA | EL-TP-RNG Sintered | |
Five specially-designed plastic casings and their respective caps | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | ||
One plastic plunger | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | PSYR-5 | |
Cables | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | CSIN-X2 Input Cable, CSOP-D5 Output Cable | |
One measuring tape | Many manufacturers available | ||
One wooden cotton swab | Many manufacturers available | ||
Electrically conductive gel (Sigma Gel) | Parker Laboratories, New Jersey, NJ, USA | 15-25 | |
One 3- or 5-ml syringe | Many manufacturers available | ||
Adhesive tape | Many manufacturers available | ||
Paper towels | Many manufacturers available |