经颅直流电刺激和同步功能磁共振成像
2014年4月27日
经颅直流电刺激（TDCS的）是一种无创性脑刺激技术。它已经成功地被用于基础研究和临床设置，以调节在人类大脑功能。本文介绍了TDCS的实施和同步功能磁共振成像（fMRI）技术，探讨TDCS的影响的神经基础。
以下实验的总体目标是说明在同步功能磁共振成像期间经颅直流电刺激或 TDCS 的实施。为了评估刺激如何影响人脑功能，第一步涉及组装必要的设备，包括 MRI、兼容的电缆、电极和滤光盒。第二步，需要在扫描仪内部和外部设置 TDCS 设备。
接下来，对参与者进行筛选并为扫描仪内 TDCS 做好准备。将参与者移入扫描仪孔后，打开刺激并开始 FMRI 实验。最终，在 A-T-D-C-S 期间扫描的参与者的结果在 a 中进行比较，在受试者设计中与在单独的假 TDCS 会话期间获得的结果进行比较，以揭示刺激对功能性大脑活动的影响。
与纯粹的行为 TS 方案相比，疾病内的主要优点是它允许研究模拟效应背后的神经元机制。此外，与 E-E-G-F-M-R-I 等其他神经成像技术相比，它提供了卓越的空间分辨率，并且还允许验证电极在钙膜上的位置。FMRI 和 TDCS 的联合使用可以帮助揭示与健康大脑中 TDCS 作用相关的神经机制，也可以在中风或痴呆等许多不同的病理状况中发挥作用。
了解 TDCS 在大脑中的工作原理可能最终会改善该技术的临床应用，因为许多关键步骤需要以时间敏感的方式以正确的顺序执行。良好的规划和熟悉这些步骤对于成功实施是必要的。如果执行得当，该技术对参与者的风险很小。
但是，研究人员必须确保遵循既定的 MRI 和 TDCF 安全指南。实验设计包括在 T-D-C-S-A 5 分钟静息态序列期间执行的两个 FMRI 片段和一个 11 分钟的显性语义词生成任务。TDCS 的 20 分钟大约在扫描前 1 到 2 分钟开始，涵盖两次功能扫描的整个持续时间，以及扫描之间的短暂休息和说明。
在静息 MRI 和任务 F MRI 之后获得额外的结构扫描。假刺激会话包括静息态 FMRI 之前的 30 秒 TDCS，在语言任务协议的其余部分没有 TDCS，使用刺激呈现软件将各种语义类别的视觉图像投射到扫描仪内部的屏幕上。投影是通过投影仪和连接到计算机的镜子系统完成的。
MRI 兼容麦克风用于传输明显的口头反应。要设置 TDCS 设备程序，该设备需要提供 1 毫安的恒定直流电 20 分钟，确保刺激器充满电。否则，它可能会在实验期间关闭，按照文本协议中的说明组装 TDCS 所需的所有设备、电缆和电极。
在 MRI 控制室中，将外部滤光片盒放置在靠近用于将电缆引入扫描仪室的射频滤光管附近。请注意，外部筛选器框已明确标记。内外过滤箱不得混淆。
接下来，使用刺激器电缆将刺激器连接到外盒。测量连接内部和外部过滤器盒所需的箱式电缆长度，以便有足够的电缆沿着扫描仪室的墙壁运行。将箱式电缆插入射频滤波器管，并将其连接到扫描仪室的外部滤波器盒。
将内部过滤器盒放在扫描仪孔的后端内，并使用胶带将其固定到位。用胶带将箱式电缆连接到墙壁上，并将其连接到内部扫描仪过滤箱，避免任何电缆中的任何循环，因为这可能会感应射频发热。彻底。筛查参与者的 MRI 和 TDCS 禁忌症，例如起搏器、身体中间和幽闭恐惧症。
在解释了程序之后，像传统的 TDCS 设置一样获得信息，以准备电极放置。检查参与者的皮肤是否有任何预先存在的病变，并移走任何头发。然后用酒精清洁皮肤以改善皮肤状况。
用盐水溶液浸泡海绵袋后，使用留下非法罗磁性痕迹的笔将 MRI 兼容电极插入口袋。首先，在被试的头上标记 T 3 F 3 和 F 7 C3 的交点，然后标记 F 7 和 F 3 之间的中点。现在标记连接这两个点的线的中心并将阳极放置在该点。
然后将阴极放在正确的眶上位置，并用橡皮筋连接两个电极。在扫描仪外部进行最终安全检查后，引导参与者进入扫描仪室，然后靠近扫描仪，将电极电缆连接到内部过滤器盒。接下来，打开刺激器并测试阻抗，例如，同时按下刺激器的右上和左下按钮。
与标准 T DS S 协议相比，在此过程中的阻抗通常更高，因为电缆长度和滤光片盒的电阻更高，因此在开始扫描之前测试阻抗至关重要。如果达到阻抗限制，则刺激器会自动停止。可能的补救措施包括确保电极与头皮接触，清洁皮肤，再次在海绵上涂抹更多的盐水溶液。
将参与者放置在扫描仪机架上。确保电极仍处于正确位置。然后将电极电缆穿过头线圈的左下部并固定电缆，以确保它不会卡在龙门架上。
随着龙门架的移动。之后关闭磁头线圈，并将紧急按钮交给参与者。然后将参与者滑入扫描仪。
接下来钻孔，从扫描仪后端伸手去拿电极电缆，将其连接到内部滤光片盒，然后离开房间。使用扫描仪对讲机通知参与者扫描会话的开始。采集期结束后，使用扫描控制台启动 structural localizer 扫描。
通过双击定位器扫描并通过按住鼠标右键同时向左和向右移动鼠标来调整对比度，检查定位器扫描中是否存在高频伪影。使用扫描仪对讲机向受试者传达刺激将开始，并且他或她可能会在短时间内感到头皮刺痛感。然后重复第一次功能扫描的说明。
对于静息状态扫描，指示参与者在 5 分钟扫描期间闭上眼睛。尽可能少地移动，不考虑任何特别的事情。此外，请确保手动关闭投影仪。
在静息状态功能扫描开始前大约一到两分钟启动 TDCS。使用扫描仪控制台加载静息状态序列。双击静息状态序列以打开视野并调整位置以覆盖整个大脑并大致与前后连合对齐。
现在，开始第一次扫描。在静息态序列运行时进行双盲研究时，使用第二名研究人员在整个实验过程中监测阻抗。加载第二个功能成像序列，即语言任务，并像使用扫描仪控制台之前一样调整视野，以减少扫描之间所需的时间。
在静息状态序列结束后，打开投影仪以允许在语言任务期间直观地显示实验刺激。双击表示软件图标并加载语言范例。使用扫描仪对讲机重复任务相关 FMRI 范式的说明，并在刺激和 FMRI 实验结束时开始任务。
继续进行计划的结构扫描。在实验结束时，在将参与者从扫描仪孔中移出之前，先断开电极电缆与内部过滤器盒的连接。然后拆下头线圈，让参与者坐起来并小心地取下电极。
语义词生成任务期间的 FMRI 研究表明，与在假刺激期间扫描相同受试者时相比，接受 A-T-D-C-S 的年轻人和老年人额下回腹侧部分的活动减少。在左背侧额下回和 FMRI 中未发现显著差异。与在单独的假 TDCS 会话期间在相同的 18 名参与者中获得的静息状态扫描相比，在 A-T-D-C-S 期间进行的静息状态扫描表明，在 A-T-D-C-S 期间，大脑区域显示连接增强，红色表示，区域显示连接性降低以蓝色表示。
未来，这项新技术可能用于临床人群，以提高现有干预措施的有效性或开发新的有科学依据的方案。为了进一步理解 TT CS 的基础效应，该技术可以辅以其他技术，例如 EEG TT S，以利用这些技术的卓越时间分辨率。看完这个视频，你应该对 TDCS 和 MRI 联合使用的技术要求、实施和安全注意事项有很好的了解。
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概述
本文说明了在同时进行功能性磁共振成像（fMRI）时实施经颅直流电刺激（tDCS）的方法。其目的是评估tDCS如何影响人类大脑功能。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 大脑刺激
- 功能性成像
背景
- tDCS是一种非侵入性的大脑刺激技术。
- 它在基础研究和临床环境中都有应用。
- 理解tDCS的效果可以提供关于大脑功能调节的见解。
- 同时进行的fMRI允许在刺激过程中实时观察大脑活动。
研究目的
- 调查tDCS对大脑功能影响的神经基础。
- 比较tDCS和假刺激会话的结果。
- 增强对tDCS如何影响功能性大脑活动的理解。
使用的方法
- 组装必要的设备，包括MRI、电缆、电极和滤波器盒。
- 在扫描仪内外设置tDCS设备。
- 筛选和准备参与者以进行扫描仪内tDCS。
- 在进行tDCS的同时进行fMRI实验。
主要结果
- tDCS和假刺激会话期间大脑活动的比较。
- tDCS对功能性大脑活动影响的识别。
- 通过非侵入性刺激对大脑功能调节的见解。
- 支持tDCS在研究环境中有效性的数据。
结论
- tDCS可以通过fMRI观察到有效地调节大脑功能。
- 该研究为未来使用tDCS的研究提供了框架。
- 研究结果有助于理解非侵入性大脑刺激技术。
常见问题
Executive Industry Relevance
Combining transcranial direct current stimulation with functional MRI enables mechanistic de-risking of neuromodulation targets by linking stimulation parameters to spatially resolved brain activity changes. This approach supports target validation in neuropsychiatric drug discovery by providing causal evidence of network-level effects. It enhances predictive confidence for translating tDCS findings into therapeutic applications across neurodegenerative and stroke indications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates causal relationships between cortical excitability modulation and large-scale network reorganization.
- Operational Value: Enables hypothesis testing of stimulation targets with whole-brain coverage.
- Predictive Value: Supports target de-risking by identifying downstream functional consequences of tDCS.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative, spatially resolved dependent variables for assessing stimulation effects.
- Operational Value: Standardizes tDCS-fMRI protocols for reproducible neurophysiological readouts.
- Assay Readiness: Establishes validated stimulation-imaging workflows for compound or target screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Value: Bridges acute stimulation effects to chronic disease models like stroke and dementia.
- Mechanistic Continuity: Links tDCS-induced connectivity changes to behavioral outcomes in task-based fMRI.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by revealing off-target network modulation.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to preclinical validation by providing circuit-level mechanistic insights.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification through stimulation-induced activity changes in task-related networks.
- Screening: Delivers assay-ready, standardized neuroimaging outputs for evaluating neuromodulatory interventions.
- Analytics: Enables comparison of activation and connectivity patterns across stimulation and sham conditions.
- Translational Research: Connects acute fMRI findings to disease-relevant network dysfunction in neurodegeneration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse neuromodulation strategies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in neuromodulation by linking stimulation to brain network dynamics.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized electrode placement, impedance monitoring, and safety gating.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by de-risking targets prior to costly clinical trials.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on network-level engagement and specificity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI safety, tDCS dosing, and electrophysiological monitoring.
- Needs MRI-compatible tDCS equipment, filter boxes, and synchronized stimulation-imaging hardware.
- Demands cross-team standardization of stimulation protocols, electrode montages, and sham control procedures.
- Involves adaptation considerations for varying head anatomies and clinical populations.
- Includes practical limitations such as setup time, participant discomfort, and artifact management.
