Nicht-invasive elektrische Hirnstimulation zur Modulation der Aktivität der menschlichen Motoneuronen

Zusammenfassung

Quelle: Curado, M. et. al., Nicht-invasive elektrische Hirnstimulationsmontagen zur Modulation der menschlichen Motorik. J. Vis. Exp. (2016)

Dieses Video zeigt den Aufbau und den Mechanismus der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) zur Modulation der menschlichen Motorik. Indem die Anode über dem primären motorischen Kortex und die Kathode über dem kontralateralen supraorbitalen Bereich platziert wird, erhöht die gezielte elektrische Stimulation die kortikale Erregbarkeit, erhöht die Aktivität der Motoneuronen und verbessert die motorische Leistung.

Protokoll

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

1. Sicherheits-Screening

:

1. Untersuchen Sie den Teilnehmer auf mögliche Kontraindikationen für eine nicht-invasive Hirnstimulation, z. B. mit Hilfe von Fragebögen.

2. Lokalisierung des motorischen Kortex Lokalisieren

1. Sie den motorischen Kortex der Hand des Teilnehmers mit einem von zwei verschiedenen Ansätzen: durch Lokalisierung der Gehirnrepräsentation des interessierenden Muskels durch transkranielle Magnetstimulation (TMS) durch transkranielle Magnetstimulation (TMS) oder durch Lokalisierung der Position des primären motorischen Kortex (M1) (C3/C4) auf der Grundlage des internationalen Systems des Elektroenzephalogramms (EEG) 10/20 mit einem Maßband.
2. Bitten Sie den Teilnehmer bei der TMS-induzierten MEP-Aufzeichnung, alle Objekte zu entfernen, die durch das TMS-Magnetfeld beeinflusst werden könnten, einschließlich Kreditkarten, Mobiltelefone und Metallgegenstände im Allgemeinen.
3. Bitten Sie den Teilnehmer, bequem zu sitzen.
4. Überprüfen Sie die Verbindungen zwischen dem Elektromyographie-Verstärker (EMG) und dem Computer, der für die Signalkonfiguration und -erfassung verwendet wird, wenn Sie eine Softwareschnittstelle verwenden.
5. Schalten Sie den EMG-Verstärker ein und schließen Sie die EMG-Elektrodenkabel an.
6. Reinigen Sie die Haut des Teilnehmers, indem Sie die Bereiche der Hand, in denen die Elektroden platziert werden, sanft mit Hautpräparationspaste abreiben. Entfernen Sie überschüssiges Pad mit einem sauberen Mullpad.
7. Befestigen Sie EMG-Oberflächenelektroden in einer Bauch-Sehnen-Montage an dem interessierenden Handmuskel (z. B. M. abductor pollicis brevis der rechten Hand) und schließen Sie eine Masseelektrode (z. B. am Unterarm) an. Der Zweck der Studie besteht darin, zu bestimmen, welcher Handmuskel verwendet werden soll.
   HINWEIS: Bei wiederverwendbaren Elektroden ist es notwendig, eine kleine Menge leitfähiger Paste auf die Elektrodenoberfläche aufzutragen, bevor sie auf der Haut des Teilnehmers befestigt wird.
8. (optionaler Schritt) Starten Sie die Aufzeichnungssoftware für die TGA-Erfassung, wenn die MEP-Datenspeicherung gewünscht wird.
9. Überprüfen Sie die EMG-Impedanzwerte. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz < 20 kOhm beträgt.
10. Schalten Sie den magnetischen Stimulator ein und laden Sie den Kondensator auf, indem Sie die entsprechende "Lade"-Taste drücken.
11. Platzieren Sie eine TMS-Spule in der Figur der Acht auf der Kopfhaut des Teilnehmers auf der interhemisphärischen Fissur und bewegen Sie sie in den Bereich des motorischen Kortex (um die Positionen C3/C4 des internationalen EEG 10/20-Systems). Halten Sie die TMS-Spule in einem Winkel von 45 ° bis 50 °, der sich auf die interhemisphärische Fissur bezieht, wobei der Griff nach hinten gerichtet ist, wodurch ein kortikaler Stromfluss von posterior nach anterior erzeugt wird.
    HINWEIS: Für die Lokalisierung des motorischen Kortex werden zwei unterschiedliche TMS-Spulen verwendet: Achter- oder Kreisspulen. Wenn möglich, verwenden Sie eine Achterspirale, da sie eine fokalere Hirnstimulation und eine größere Zuverlässigkeit bei der Messung der kortikalen Erregbarkeit bietet.
12. Wenn der magnetische Stimulator aufgeladen ist (sichtbar auf dem Display), entladen Sie den Stimulator entweder durch Drücken der Auslösetaste oder durch Treten auf den Fußschalter oder automatisch durch ein Softwareprogramm. Anschließend wird ein einzelner TMS-Impuls durch die angeschlossene TMS-Spule abgegeben, die über der Kopfhaut des Teilnehmers platziert wird. Die Standardeinstellungen für TMS-Impulse (z. B. 100 μs Anstiegszeit des induzierten Stroms und 800 μs Abklingzeit für monophasische Stimuli; kürzere Abklingzeiten für biphasische Stimuli) sind gerätespezifisch (Firmware).
13. Beginnen Sie mit einer niedrigen Stimulationsintensität (stellen Sie z. B. die Intensität mit dem Regler für die Stimulationsintensität am Stimulator auf 45 % aus) und achten Sie auf MEPs, die auf dem EMG-Verstärker sichtbar sind.
    1. Wenn kein MEP sichtbar ist, erhöhe die Stimulationsintensität in 2-5% Schritten, bis ein MEP deutlich vorhanden ist (z.B. 0,5-1 mV Amplitude). Wiederholen Sie die Stimulation, indem Sie die Auslösetaste drücken oder den Fußschalter betätigen, wenn die Impulsabgabe nicht automatisiert ist. Informieren Sie den Teilnehmer, dass die Stimulation etwas stärker sein wird und dass Bewegungen der Gliedmaßen, Zucken im Gesicht und Augenblinzeln zu erwarten sind.
       HINWEIS: Legen Sie ein Mindestintervall von 5 Sekunden zwischen den Impulsen fest, um niederfrequente Stimulationseffekte auf die Erregbarkeit des Gehirns zu vermeiden.
14. Bewegen Sie die Spule radial in 1-cm-Schritten um die anfänglich stimulierte Stelle, um die Stelle mit der größten MEP-Reaktion nach dem Anlegen einzelner TMS-Impulse zu finden. Beginnen Sie von dort aus erneut, die Spule zu bewegen, um den "Hotspot" (kortikaler Bereich mit maximaler MEP-Amplitude) zu sichern.
    HINWEIS: Die Verwendung einer Kopfkappe (z. B. für Gittermarkierungen) für das Lokalisierungsverfahren wird nicht empfohlen, da die Kappe für die nicht-invasive Elektronstimulation (NEBS)-Elektrodenplatzierung entfernt werden muss und die Hotspot-Position verloren gehen kann.
15. Reduzieren Sie die Stimulationsintensität in ca. 2%-Schritten mit dem Regler für die Stimulationsintensität am Stimulator (MEP muss noch vorhanden sein). Dadurch wird eine Ungenauigkeit durch supramaximale Stimulation vermieden. Bestätigen Sie den Hotspot erneut, indem Sie die Spule radial in 1 cm Schritten um den Hotspot bewegen und die MEP-Größe prüfen. Der Hotspot sollte immer noch der größten und konsistentesten MEP-Amplitude entsprechen.
    HINWEIS: Bitten Sie den Teilnehmer, den interessierenden Muskel freiwillig anzuspannen, wenn der Hotspot schwer zu finden ist (z. B. wenn bei hohen Stimulationsintensitäten kein MEP vorhanden ist). Auf diese Weise wird die Stimulationsintensität, die zur Auslösung von MEP erforderlich ist, verringert und es kann einfacher sein, relevante kortikale Stimulationsstellen zu identifizieren. Wenn diese Methode angewendet wird, bitten Sie den Teilnehmer, den Muskel zu entspannen, nachdem er eine geeignete Stimulationsstelle gefunden hat, und passen Sie die Stimulationsintensität so an, dass zuverlässige MEPs gefunden werden können, wenn der Muskel in Ruhe ist. Fahren Sie fort, um den Hotspot zu finden.
16. Markieren Sie die Hotspot-Position und die Ausrichtung der Spule mit einem nicht permanenten Skin-Marker.
17. Für die bilaterale M1-Stimulation wiederholen Sie die Schritte 2.11 bis 2.16 für die kontralaterale Extremität.

3. NEBS-Elektrodenvorbereitung

:

1. Schließen Sie Kabel an Gummielektroden an und platzieren Sie die Elektroden in den Schwammbeuteln. Stellen Sie sicher, dass die Elektrodengröße und die Größe des Schwammbeutels übereinstimmen. Die Materialien sind im Handel in Standardgrößen erhältlich (z. B. 5x5 cm², 5x7 cm²).
2. Weichen Sie die Schwammbeutel auf beiden Seiten mit isotonischer Natriumchlorid (NaCl)-Lösung ein, aber vermeiden Sie übermäßiges Einweichen, um Salzbrücken oder Tropfen auf den Freiwilligen zu vermeiden.
   1. Dieser Schritt ist optional: Um ein Auslaufen von NaCl-Lösung zu verhindern, wenn Bandagen anstelle von Gummibändern verwendet werden, legen Sie die Elektroden und Schwammbeutel in nicht leitende Gummischwammabdeckungen.
      HINWEIS: Alternativ können Sie die Gummielektrode mit leitfähiger Paste abdecken und direkt auf den Kopf des Teilnehmers legen, d.h. keine Schwammbeutel oder Gummischwammabdeckungen verwenden.

4. Platzierung der NEBS-Elektrode (Abbildung 1)

1. Suchen Sie die Kopfmarkierung(en), die den motorischen kortikalen Hotspot anzeigen, und trennen Sie die Haare um den Bereich herum.
2. Um den Leitwert zu verbessern, reinigen Sie die Haut vor dem Platzieren der Elektrode, indem Sie den Hautbereich um die Kopfmarkierungen herum vorsichtig mit einem mit 40-50% Alkohol getränkten Tupfer oder Hautvorbereitungspaste abreiben. Kratzen Sie nicht an der Haut! Entfernen Sie den Überschuss mit einem Tupfer und reinigen Sie den Bereich erneut mit isotonischer NaCl-Lösung. Trocknen Sie den Bereich anschließend.
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Kopfmarkierung(en) sichtbar bleiben; Bei Bedarf eine Bemerkung machen.
3. Platzieren Sie eine Elektrode entlang der Kopfmarkierung für den interessierenden M1 (kontralateral zur interessierenden Hand). Bringen Sie den Schwamm so weit wie möglich in direkten Kontakt mit der Haut. Legen Sie das Elektrodenkabel in Richtung Rücken des Teilnehmers, um Störungen während der Stimulation und/oder Aufgabenausführung zu vermeiden und die Verbindung zum NEBS-Gerät zu erleichtern.
   HINWEIS: Die Haare unter der Elektrode sollten feucht werden. Bei übermäßiger Befeuchtung der Haare verwenden Sie Papier oder Handtücher, um den Überschuss aufzunehmen.
   HINWEIS: Bei anodaler tDCS entspricht die Elektrode, die auf dem interessierenden kortikalen Hotspot des Motors platziert wird (Erhöhung der Erregbarkeit ist erwünscht), der Anode, die normalerweise mit dem roten Kabel verbunden ist. Die Kathode (in der Regel mit einem schwarzen oder blauen Kabel verbunden) wird auf der gegenüberliegenden supraorbitalen Fläche oder M1 platziert (siehe unten). Herkömmlicherweise ist die Elektrodenplatzierung bei der transkraniellen Zufallsrauschstimulation (tRNS) gleich, obwohl es im klassischen Protokoll aufgrund des Wechselstromflusses keine Polaritätsspezifität gibt. Eine bestimmte Platzierung kann wichtig sein, wenn die Stimulationseinstellungen einen Stimulationsversatz enthalten.
4. Für die einseitige M1-Stimulation wird die zweite Elektrode (bei anodaler tDCS: die Kathode) über den kontralateralen supraorbitalen Bereich gelegt (entspricht der Elektrode Fp2 im internationalen System EEG 10/20). Stellen Sie sicher, dass das Kabel zur Rückseite des Teilnehmers ausgerichtet ist.
5. Decken Sie den Kopf zweimal kreisförmig in mediolateraler Richtung mit einer elastischen Binde ab, um die M1-Elektrode zu stabilisieren, und bedecken Sie dann mit der restlichen Binde den Kopf kreisförmig in anterior-hinterer Richtung, um beide Elektroden zu stabilisieren.
6. Verwende ein Klebeband, um das Ende des Verbandes zu fixieren.
7. Befestigen Sie die Kabel mit Klebeband am Hals oder Hemd des Teilnehmers.
8. Schließen Sie Elektrodenkabel an das NEBS-Gerät an.

5. Stimulation

1. Schalter am NEBS-Gerät.
2. Passen Sie die NEBS-Geräteeinstellungen hinsichtlich des Stimulationstyps (tDCS oder tRNS), der Intensität (z. B. 1 mA, 1,5 mA oder 2 mA), der Dauer (z. B. 10-40 min), des Hoch- und Herunterfahrens (Zeit zwischen dem Beginn der Stimulation und der maximalen Intensität, typischerweise 8-15 Sekunden) und zusätzlicher Faktoren im Zusammenhang mit der Stimulationsart (z. B. Frequenzspektrum für tRNS) an.
   HINWEIS: Herkömmlicherweise umfasst die Scheinstimulation ein sofortiges Hochfahren, gefolgt von einem Herunterfahren. Dementsprechend spürt der Teilnehmer die Stimulation, aber die Dauer der Stimulation reicht nicht aus, um dauerhafte Auswirkungen auf die Gehirnfunktion zu erzielen. Einige NEBS-Geräte verfügen über einen Studienmodus, der die Verblindung des Teilnehmers und des Prüfarztes durch Eingabe eines studienspezifischen Probandencodes ermöglicht. Der Code bestimmt die Stimulationseinstellungen automatisch. Alternativ kann ein zweiter Experimentator die Stimulationseinstellungen in jeder Sitzung einstellen und das Display des Experimentators, der die Stimulation durchführt, abdecken.
3. Informieren Sie den Teilnehmer über mögliche Nebenwirkungen im Zusammenhang mit NEBS. Häufige Nebenwirkungen sind Juckreiz/Kribbeln oder Brennen unter den Elektroden, Kopfschmerzen und Unwohlsein. Das Brennen kann ein Zeichen für einen schlechten Elektrodenkontakt mit der Haut sein.
4. Starten Sie die Stimulation.
   HINWEIS: Die übliche Stimulationsdauer beträgt ca. 10-20 Minuten, basierend auf Berichten, die Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit untersuchen (siehe Abschnitt "Repräsentative Ergebnisse"). Empirisch wurde die maximale Stimulationsdauer auf 40 min festgelegt.
5. Überprüfen Sie die Kontinuität der Stimulation während des Hochfahrens und der Stimulation. Wenn die Impedanz zu hoch ist oder die Elektroden in schlechtem Kontakt mit der Haut stehen, kann die Stimulation automatisch beendet werden.
   HINWEIS: Falls die Impedanz zu hoch ist oder der Teilnehmer über zunehmende Beschwerden während der Stimulation berichtet, versuchen Sie, die Impedanz zu verringern, indem Sie z. B. die Elektroden besser an den Stimulationsstellen fixieren oder ein leitfähiges Medium hinzufügen. NaCl-Lösung kann mit einer Spritze direkt in die Schwämme gegeben werden, nachdem sie auf den Kopf gelegt wurden.
   HINWEIS: Einige Geräte melden die Impedanz während der gesamten Stimulation aus Sicherheitsgründen. Das NEBS-Gerät kann sich abschalten, wenn die Impedanz einen bestimmten Schwellenwert erreicht (z. B. 55 kOhm).

Ergebnisse

Abbildung 1. Elektrodenmontagen und Stromrichtung für unterschiedliche NEBS-Strategien. (A) Bei der einseitigen anodalen transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) wird die Anode über dem primären motorischen Kortex zentriert und die K...

Materialien