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Methodenartikel

Die Verwendung von magnetischen Resonanzspektroskopie als Werkzeug für die Messung der Bi-hemisphärische transkranielle elektrische Stimulation Auswirkungen auf primären motorischen Kortex Metabolism

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DOI:

10.3791/51631

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19. November 2014

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1Department of Psychology, University of Montréal, 2Montreal Neurological Institute, McGill University, 3Center for Magnetic Resonance Research and Department of Radiology, University of Minnesota

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Artikel zielt darauf ab, ein grundlegendes Protokoll zur Kombination von transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) mit Messungen der Protonenmagnetresonanzspektroskopie (1H-MRS) zu beschreiben, um die Auswirkungen der bilateralen Stimulation auf den primären motorischen Kortexstoffwechsel zu untersuchen.

Zusammenfassung

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist ein Neuromodulation Technik, die zunehmend im letzten Jahrzehnt in der Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression verwendet wurde. Dennoch bleibt die Mechanismen seiner Fähigkeit, die Erregbarkeit des Gehirns zu modulieren, um klinische Symptome zu verbessern zugrunde liegenden schlecht verstanden 33. Zur Verbesserung dieses Verständnis kann Magnetresonanzspektroskopie (1 H-MRS) verwendet werden, da sie den in vivo Quantifizierung von Hirnstoffwechselprodukte wie γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glutamat in einer Region-spezifischen Weise 41. In der Tat, eine aktuelle Studie gezeigt, dass ein H-MRS ist in der Tat ein wirksames Mittel, um die Auswirkungen der tDCS auf Neurotransmitter-Konzentration 34 besser zu verstehen. Dieser Artikel soll die komplette Protokoll zum Kombinieren tDCS (neuroConn MR-kompatible Stimulator) mit 1 H-MRS bei 3 T mit einem MEGA-PRESS seq beschreibenuss. Wir beschreiben die Auswirkungen eines Protokolls, das große Versprechen für die Behandlung von Bewegungsstörungen nach Schlaganfall, die bilaterale Stimulation der primären motorischen Kortex 27,30,31 besteht gezeigt hat. Methodische Faktoren zu berücksichtigen und mögliche Änderungen an dem Protokoll werden ebenfalls diskutiert.

Einleitung

Die Idee der Anwendung von Elektrizität zu dem menschlichen Gehirn, um seine Aktivität zu modulieren, ist seit der Antike sucht. Tatsächlich Schriften bereits ab dem 11. Jahrhundert wurde festgestellt, dass die Verwendung des Torpedos elektrische Fische bei der Behandlung von epileptischen Anfällen 1 beschreiben. Dennoch ist es bis vor kurzem nicht, dass nicht-invasive Gehirnstimulation hat breites Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erhalten, wie es wurde gezeigt, dass modulatorische Effekte auf die kognitive Funktion und motorische Antwort 2 zu produzieren. Während transkranielle Magnetstimulation (TMS) wurde ausgiebig seit den frühen 1980er Jahren 3 studiert, hat kürzlich Interesse an der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) erhöht, wie es jetzt gilt als eine praktikable Behandlungsoption für eine breite Palette von Neuropathologien, wie Schlaganfall 4, Alkoholsucht 5, und chronischen Schmerzen 6. tDCS hat viele Vorteile gegenüber Neurostimulationstechniken wie TMS, zBda sie relativ billig, schmerzlos ist, von den Patienten gut toleriert wird, und tragbar ist, wodurch es möglich ist, am Bett 7 verwalten. In der Tat, nur ein kleiner Prozentsatz der Patienten berichten über ein leichtes Kribbeln während der Stimulation 8. Allerdings verschwindet dieses Gefühl in der Regel nach ein paar Sekunden 9. Folglich ermöglicht tDCS robuste doppelblinde, scheinkontrollierte Studien, da ein Großteil der Teilnehmer können Scheinstimulation nicht zu unterscheiden von echten Stimulation 9,10.

tDCS beinhaltet die Induktion einer konstanten Niederstromstärken (1-2 mA) über Oberflächenelektroden auf der Kopfhaut der Person angeordnet ist, um den Kortex aufgebracht. Die Elektroden werden in der Regel in Kochsalzlösung getränkten Schwamm oder direkt auf der Kopfhaut mit einem EEG-Aktivität Paste gegeben. Um eine tDCS Studie durchzuführen, müssen vier Hauptparameter vom Experimentator gesteuert werden: 1) die Dauer der Stimulation; 2) die Intensität der Stimulation; 3) die Elektrodengröße; und 4) die Elektrode Montage. In Standardprotokollen wird die "aktive" Elektrode, die über dem interessierenden Bereich positioniert ist, während die Bezugselektrode ist in der Regel über der Augenpartie gelegt. Der Strom fließt von der positiv geladenen Anode zur negativ geladenen Kathode. Die Wirkung der tDCS auf primären Motorkortex (M1) durch die Polarität der Stimulations bestimmt, wobei anodische Stimulation erhöht die Erregbarkeit einer Population von Neuronen und die kathodische Stimulation reduziert 11. Im Gegensatz zu TMS, ist der induzierte Strom nicht ausreicht, um Aktionspotentiale in kortikalen Neuronen zu erzeugen. Die Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit wird angenommen aufgrund der Modulation der neuronalen Membran Schwellen die entweder zur Hyperpolarisation der Membran-Potentialen oder eine Erleichterung der Depolarisation von Neuronen in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses 8,11 sein. Die Dauer der Erregbarkeit Veränderungen kann für bis zu 90 min für die Dauer der Offset-der Stimulation in Abhängigkeit von Stimulationsdauer 11,12.

tDCS und motorische Rehabilitation

M1 wurde ausgiebig als Ziel der Stimulation verwendet wird, da die Erregbarkeit Änderungen tDCS ausgelöst quantifiziert werden durch den Motor hervorgerufenen Potentialen (MEP) von Einzelpuls TMS 3 induziert. Frühe Studien, die die Möglichkeit der Messung Polarität spezifische Erregbarkeit Veränderungen durch tDCS bewogen haben M1 als ein Ziel der Stimulation 11,12 eingesetzt. Seitdem hat M1 eines der primären Ziele der tDCS in Studien mit sowohl klinischen Populationen und gesunden Probanden wegen seiner Bedeutung in Motorik, Gedächtnisbildung und Konsolidierung der Motorik 12 geblieben.

Das Gehirn beruht auf einem komplexen Zusammenspiel zwischen Motor Regionen beider Hemisphären, eine Bewegung 14 durchzuführen. Wenn ein Bereich beschädigt ist, nach einem Schlaganfall zum Beispiel inter-hemisphärische Wechselwirkungen verändert. Untersuchungen an Gehirnplastizität zeigen, dass die motorischen Arealen des Gehirns Anpassung an diese Änderung in unterschiedlicher Weise 15. Erstens können die intakten, umliegenden Regionen des beschädigten Bereichs overactived geworden, was zu einer Hemmung der den beschädigten Bereich - einen Prozess namens inner hemisphärischen Hemmung. Zweitens kann die homologe Region des beschädigten Bereich überaktiviert werden und üben Hemmung auf den verletzten Hemisphäre - einen Prozess namens inter-hemisphärische Hemmung. Der betroffene M1 kann daher doppelt bestraft werden: erstens durch die Läsion und zweiten durch die Hemmung kommen sowohl aus dem unberührt M1 und der Region des betroffenen M1 16. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass eine erhöhte Erregbarkeit in der betroffenen Hemisphäre wird langsamer Rehabilitation 17, die als maladaptive inter-hemisphärische Wettbewerb 18 beschrieben wurde verlinkt.

Das Verständnis der Plastizität nach vorkommendenein Schlaganfall kann zur Entwicklung der Neuromodulation Protokolle, interhemisphärische Wechselwirkungen 19 wiederherstellen führen. Drei Haupt tDCS-Behandlungen bei Patienten mit motorischen Defiziten nach Schlaganfall 20,21 vorgeschlagen. Die erste Behandlung zielt darauf ab, den verletzten Motorkortex durch einseitige anodische Stimulation (a-tDCS) zu reaktivieren. In diesem Fall soll die Stimulation direkt auf zunehmende Aktivität in periläsionalen Bereiche, die als wesentlich für die Wiederherstellung angesehen werden. In der Tat haben Studien Verbesserung der paralytischen oberen oder unteren Extremität gezeigt nach dieser Behandlung 22-26. Die zweite Behandlung wurde mit dem Ziel der Reduzierung der Überaktivierung des kontraläsionalen Hemisphäre durch die Anwendung einseitiger kathodische tDCS (c-tDCS) über den intakten M1 entwickelt. Hier zielt Stimulation bei indirekt zunehmende Aktivität in periläsionalen Gebieten durch interhemispehric Interaktionen. Ergebnisse aus diesen Studien haben die Verbesserung der Motor functi gezeigtenauf nach der C-tDCS 4,27-29. Schließlich zielt die dritte Behandlung in Kombination der erregenden Wirkungen einer-tDCS über dem verletzten M1 mit den hemmenden Wirkungen von c-tDCS über die unberührt M1 bilaterale tDCS. Ergebnisse wurden Verbesserungen der motorischen Funktion nach bilateralen tDCS 27,30,31 gezeigt. Darüber hinaus eine Studie gezeigt, größere Verbesserungen folgenden bilateralen tDCS im Vergleich zu den beiden einseitigen Methoden 32.

Physiologische Mechanismen der tDCS

Trotz der zunehmenden Verwendung von tDCS bei der Behandlung von Schlaganfall, bleibt die physiologische Mechanismus hinter seine Wirkungen nicht bekannt 33. Ein besseres Verständnis der physiologischen Wirkungen helfen könnte entwickeln bessere Behandlungsmöglichkeiten und könnte zu standardisierten Protokolle führen. Wie bereits erwähnt, können die Effekte der tDCS für bis zu 90 min dauern, nachdem der Offset der Stimulations 11,12. Daher Hyperpolarisation / DepolarisationProzesse können langfristiger Wirkung 33,34 nicht vollständig erklären. Unterschiedliche Hypothesen hinsichtlich des physiologischen Mechanismus Nachwirkungen von M1 einschließlich Änderungen der Freisetzung von Neurotransmittern, Proteinsynthese, Ionenkanalfunktion oder Rezeptoraktivität 34,35 Basiswert tDCS vorgeschlagen. Einblicke in dieser Angelegenheit wurden zuerst durch pharmakologische Studien, die eine Unterdrückung der die Nachwirkungen von anodische und die kathodische Stimulation auf M1 Erregbarkeit durch den glutamatergen N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) -Rezeptor-Antagonist Dextromethorphan 36,37 erworben, während die entgegengesetzte Wirkung zeigte mit einem NMDA-Rezeptor-Agonisten 38. NMDA-Rezeptoren sind vermutlich bei Lern- und Gedächtnisfunktion durch Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeit-Depression (LTD), beide von Glutamat und GABA-erge Neuronen 39,40 vermittelte einbezogen werden. Tierexperimentelle Studien sind im Einklang mit dieser Hypothese, da sie zeigen, dass a-tDCS induziert LTP 13.

Trotz der bedeutenden Fortschritte in unserem Verständnis der Wirkmechanismen zugrunde liegenden tDCS-Effekte, pharmakologische Protokolle vorliegenden wichtige Einschränkungen gemacht. Tatsächlich können Arzneimittelwirkung nicht so spezifisch wie räumlich tDCS, insbesondere im Rahmen der Experimente an Menschen und der Mechanismus der Wirkung ihrer Wirkungen ist hauptsächlich auf post-synaptischen Rezeptoren 34. Daher besteht ein Bedarf mehr direkt die Auswirkungen der tDCS auf das menschliche Gehirn zu untersuchen. Protonenmagnetische Resonanzspektroskopie (1 H-MRS) ist ein guter Kandidat, da es ermöglicht nicht-invasive in vivo-Nachweis von Neurotransmitterkonzentration in einem bestimmten Bereich von Interesse. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, daß jedes Proton enthaltenden neuro im Gehirn hat eine spezifische molekulare Struktur und folglich erzeugt chemisch bestimmten Resonanzen, die durch 1 H-MRS 41 detektiert werden kann bezogen. Das erworbene Signal aus dem Gehirn Volumen inInteresse von allen Protonen, zwischen 1 und 5 ppm Resonanz erzeugt. Die erworbenen Neurochemikalien werden auf ein Spektrum repräsentiert, und als Funktion ihrer chemischen Verschiebung mit einigen klar unterscheidbare Peaks, aber wo viele Resonanzen der verschiedenen Neurotransmittern lappen. Die Signalintensität der einzelnen Peaks ist proportional zu der Konzentration des neurometabolite 41. Die Menge an Neurochemikalien, die quantifiziert werden können, hängt von der Stärke des Magnetfeldes 42,43. Allerdings niedriger Konzentration Metaboliten, die sich durch sehr starke Resonanzen verdeckt sind, sind schwer zu bei niedrigeren Feldstärken zu quantifizieren, wie 3 T. Eine Möglichkeit, Informationen über solche überlappenden Signale zu erhalten ist es, die starke Resonanzen über spektrale Bearbeitung zu entfernen. Eine dieser Techniken ist eine MEGA-PRESS-Sequenz, die Detektion von γ-Aminobuttersäure (GABA) Signale 44,45 ermöglicht.

Nur wenige Studien haben die Wirkung auf die untersuchten tDCSHirnstoffwechsel unter Verwendung von 1 H-MRS in Kraft 34,46 und nicht-motorischen Regionen 47. Stagg und Mitarbeiter 34 beurteilt die Auswirkungen einer-tDCS, c-tDCS und Scheinstimulation auf M1 Stoffwechsel. Sie fanden eine signifikante Reduktion der GABA-Konzentration Ein-tDCS und eine signifikante Reduktion der Glutamat + Glutamin (Glx) und GABA folgenden C-tDCS. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass die Menge an Änderungen in GABA-Konzentration von a-tDCS über M1 induziert Motorlern 46 zusammen.

Diese Studien zeigen das Potential der Kombination von 1 H-MRS mit tDCS zu unserem Verständnis der physiologischen Mechanismus die Wirkung der tDCS auf die motorische Funktion zugrunde liegenden erhöhen. Darüber hinaus ist die Verwendung von klinischen Protokollen wie a-tDCS und c-tDCS über M1 nützlich, weil ihre Verhaltenswirkungen sind gut untersucht und kann direkt an physiologischen Ergebnisse beziehen. Daher ist ein Standardprotokoll zum Kombinieren bilateralen tDCS und 1 H-MRS ist bei gesunden Teilnehmern mit einem 3 T-MRT-System demonstriert. Bihemispheric tDCS wird präsentiert, um Daten mit einer früheren Studie, in der MRS einseitige kathodische oder unilaterale anodale tDCS wurden über motorischen Kortex 34 angelegt kontrastieren. Das Protokoll wurde speziell für die Stimulation mit einem neuroConn Stimulator in einem Siemens 3 T Scanner Durchführung MEGA-PRESS 1 H-MRS beschrieben.

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Protokoll

Die Studie wurde von der Forschung und Gemeinschaftsethik Beschwerde Unité de Neuroimagerie fonctionnelle und Universität von Montréal zugelassen und wurde in Übereinstimmung mit dem Verhaltenskodex geschehen wie in der Deklaration von Helsinki angegeben. Alle Probanden gaben eine schriftliche Einverständniserklärung nach sorgfältiger Screening für MRI-Kompatibilität und wurden finanziell für ihre Teilnahme kompensiert.

1. tDCS Werkstoff

  1. Achten Sie darauf, alle notwendigen Materialien sind vor dem Start des Experiments (siehe Abbildung 1 für Liste) zur Verfügung.
    Hinweis: Verschiedene Elektrodengrößen sind für tDCS zur Verfügung. Für diese Studie wurden zwei 5 x 7 cm Gummielektroden verwendet werden. Andere Abmessungen können abhängig von dem Bereich der Stimulation und der gewünschten Fokalität der Stimulations 48 gewählt werden.
  2. Achten Sie darauf, zu prüfen, ob die Batterien der DC-Stimulator geladen und regelmäßig aufladen, da das Gerät nicht geladen oder eingesteckten du werdenRing Stimulation aus Sicherheitsgründen.

2. Planung der Bedingungen für die Stimulation

  1. Schalten Sie das Gerät tDCS nach den Anweisungen, die mit dem Gerät bei. Voreingestellte die tDCS-Gerät für zwei verschiedene Stimulationsarten (aktive und Schein).
  2. Da einige Geräte nicht über einen voreingestellten Modus, wählen Sie die entsprechenden Schein Parameter vor dem Start Stimulation.
    1. Vordefinieren einen Satz von Parametern durch das Laden einer Einstellung. Drücken Sie die Taste 2 oder 4 bis aus dem Hauptmenü die Option "System" auswählen (siehe Abbildung 2).
    2. Bewegen Sie den Cursor in die Linie 2 auf dem Display durch Drücken der Taste 3.
    3. Drücken Sie die Taste 2 oder 4, bis der "Lasteinstellung" zeigt auf dem Display. Drücken Sie die Taste 3.
    4. Wählen Sie den Buchstaben von der Einstellung (A, B, C oder D) durch Drücken der Taste 2 oder 4.
    5. Bewegen Sie den Cursor nach oben mit der Taste 1. Im Display erscheint automatisch die Option "Parameter".
    6. Stellen Sie die tDCS-Gerät mit einem Strom von 1 mA. Um dies zu tun, drücken Sie die Taste 1, um die Linie 3 des Menüs "Parameter" der Anzeige auswählen. Wählen Sie den "aktuellen" Option durch Drücken der Taste 2 oder 4. Drücken Sie die Taste 3, um die Linie 4 erreichen und ändern die Intensität bis 1000 uA durch Drücken der Taste 2 oder 4.
    7. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. gehen Wählen Sie die "fade in" Option aus dem Menü des Gerätes durch Drücken der Taste 2 oder 4. Drücken Sie die Taste 3, um die Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Tasten 2 und 4, um die Dauer bis 15 s einzustellen.
      Hinweis: Fade in Dauern kann geändert werden.
    8. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. gehen Wählen Sie die Option "Fade Out" aus dem Menü des Gerätes durch Drücken der Tasten 2 oder 4. Drücken Sie die Taste 3, um die Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Tasten 2 und 4, um die Dauer bis 15 s einzustellen.
      Hinweis: Fade in Dauern kann geändert werden.
    9. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. Pres gehens die Taste 2 oder 4, bis die Option "Dauer" zeigt auf dem Display-Menü. Drücken Sie die Taste 3 bis zur Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Taste 2 und 4, um die Dauer zu der Mindestlaufzeit auf dem Gerät verfügbar einzustellen (15 s für das vorliegende Gerät, siehe Abbildung 3b).
      Hinweis: Dies wird ein Kribbeln ähnlich der aktiven Stimulation induzieren.
  3. Drücken Sie die Tasten 1 und 3 gleichzeitig, um die Änderungen der Einstellungen zu speichern.
  4. Pre-Programm die aktiven Stimulationsparameter. Um dies zu tun, folgen Sie den Anweisungen wie bei der Einstellung der Scheinstimulation, sondern programmieren die Dauer bis 1200 s (20 min; siehe Abbildung 3a).
  5. Pre-Programm die Teststimulationsparameter. Um dies zu tun, folgen Sie den Anweisungen wie bei der Einstellung der Scheinstimulation sondern programmieren die Dauer auf 45 Sekunden.
    Hinweis: Die Teststimulation wird für die Messung der Impedanz vor dem Test eingesetzt werden.
  6. Pseudo-randie Bedingungen der Stimulation Abfolge ab zuweisen an die Teilnehmer.
  7. Weisen Sie eine Nummer zu jedem der drei Bedingungen für einen blinden Experimente: 1) bilaterale: anodale rechten kathodische links; 2) bilateral: anodale links kathodische rechts; 3) Schein: anodale rechten kathodische links.

3. Consenting die Teilnehmer

  1. Informieren Sie den Teilnehmer des Verfahrens und unterzeichnen Einverständniserklärung.
    1. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer keine Kontraindikation für die tDCS haben: eine psychiatrische oder neurologische Geschichte, die Anwesenheit von einem Herzschrittmacher, Metall in Schädel implantiert, eine Geschichte von Ohnmacht, eine Vorgeschichte von Krampfanfällen, eine Geschichte von Drogenmissbrauch, einer Familiengeschichte der Beschlagnahme, eine Geschichte der Fieberanfälle, ein Mangel an Schlaf in der vorangegangenen Nacht, eine Geschichte der Empfindlichkeit der Haut, und jeder Alkoholkonsum am Vortag.
    2. Informieren Sie den Teilnehmer der berichteten Nebenwirkungen von tDCS: leichtes Kribbeln; moderate Müdigkeit; Lichtempfindung von Juckreiz unter den Elektroden; leichtBrennen.
  2. Informieren Sie den Teilnehmer der üblichen MR Kontraindikationen und Nebenwirkungen.

4. Messungen für Elektroden Platzierung

  1. Verwenden Sie die 10/20 internationalen System, die folgenden Sehenswürdigkeiten auf der Teilnehmer Kopf zu finden: Nasion und Inion (Abbildung 4a), präaurikulären Punkte und die beiden Zielbereichen: C3 und C4 (Abbildung 4b).
    1. Suchen Sie die Nasion als deutliche depressive Bereich auf der Brücke der Nase auf der Ebene zwischen beiden Augen entfernt. Suchen Sie den Inions als das auffälligste Projektion des Hinterhauptbein am unteren Teil des Schädels entfernt. Suchen Sie den präaurikulären Punkt nahe jedem Ohr; es ist die Einbuchtung über dem Jochbein Kerbe. Finde die C3 und C4 der Basis von Messungen, wie unten beschrieben.
  2. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen dem Nasion und Inion entlang der Mittellinie des Kopfes zu messen und eine Markierung bei 50% des Abstandes witha nicht-ständigen Wassermarkierung.
  3. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen den beiden präaurikulären Punkten zu messen und eine Markierung mit einem nicht-ständigen Wasser Marker bei 50% der Strecke im Einklang mit der bisherigen Marke. Dieser Punkt entspricht Cz (Vertex).
  4. Von der Cz, entlang der Linie zwischen den präaurikulären Punkte erstellt, markieren Sie zwei Punkte, eine auf jeder Seite, mit einem nicht-ständigen Wasser Marker, der zu 20% der Gesamtstrecke entsprechen. Diese Markierungen entsprechen die Zielbereiche (C3 und C4, Figur 4b).
    Hinweis: Andere Verfahren wie TMS oder Neuro können auch verwendet werden, um M1 zu lokalisieren.

5. Platzierung der Elektroden

  1. Bewegen Sie sich so viel Haar wie möglich weg von den Zielgebieten, die gefördert werden sollen. Tragen Sie eine EEG-Art Peeling-Gel mit einem Baumwolltupfer, um die Zielgebiete zu reinigen.
  2. Reinigen Sie die Zielgebiete mit 70% Isopropylalkohol und Bimsstein prepping Pad Elektrodenkontakt zu verbessern.
  3. Großzügig decken die gesamte Elektrode mit einem EEG-leitende Paste. Sicherzustellen, dass die Paste ist ungefähr 5 mm dick über die gesamte Oberfläche. Stellen Sie sicher, die gesamte Gummibereich ist mit Paste bedeckt. Leicht benetzen die Zielbereiche und der leitfähigen Paste auf die Elektroden mit einer Salzlösung.
  4. Positionieren Sie die Elektroden, wie in 4b gezeigt, und drücken Sie die Elektroden fest auf den Zielgebieten. Legen Sie ein Gummiband um den Kopf des Teilnehmers, um eine optimale Stabilität der Elektroden zu gewährleisten. Passen Sie sie in einer Weise, dass der Teilnehmer keine Schmerzen oder Beschwerden während des Scan-Sitzung zu erleben.
  5. Stellen Sie sicher, dass die Leitungen nicht in Kontakt mit der Haut in Berührung kommen, um mögliche Verbrennungen zu vermeiden.

6. tDCS-Test außerhalb des Scanners Zimmer

  1. Mit einem Multimeter, das ordnungsgemäße Funktionieren des Elektrodenkabels und Widerstand überprüfen.
  2. Schalten Sie das Gerät tDCS und laden Sie die Teststimulation Einstellungen.
    1. Drücken Sie die Taste 2 oder 4 bis aus dem Hauptmenü die Option "System" auswählen. Bewegen Sie den Cursor in die Linie 2 auf dem Display durch Drücken der Taste 3. Drücken Sie die Taste 2 oder 4, bis der "Lasteinstellung" zeigt auf dem Display. Drücken Sie die Taste 3. den Buchstaben des vorprogrammierten Testeinstellung (A, B, C oder D) durch Drücken der Taste Wählen Sie 2 oder 4.
    2. Bewegen Sie den Cursor nach oben mit der Taste 1. Im Display erscheint automatisch die Option "Parameter". In der ersten Zeile, drücken Sie die Taste 2. Im Display erscheint "Stimulation?" mit den verschiedenen vorprogrammierten Parametern.
  3. Drücken Sie die Taste 1, um die Stimulation zu beginnen. Das Display zeigt die Impedanzniveau zeigen und automatisch zu stoppen, wenn es mehr als 20 kOhm erreicht. Wenn die Impedanzpegel über 20 kOhm ist, ziehen Sie die Elektrodendrähte von der Innenfeld und die Scan-Raum, um die Positionierung der Elektroden überprüfen zu verlassen.
  4. Wiederholen Sie die Teststimulation. Wenn ein gutes Niveau der impedance erreicht ist und wenn die Teststimulation ist vorbei, ziehen Sie die Elektroden vom Innenfeld.

7. tDCS-Setup

  1. Wie in Abbildung 5 dargestellt, legen Sie die tDCS-Gerät und die äußere Box in der Scanner-Kontrollraum.
    Hinweis: Die tDCS Einrichtung und die äußere Box nicht MR-kompatibel und nicht in den Magnet Umgebung entnommen werden.
  2. Stecken Sie die äußere Box Drähte in die tDCS-Gerät und stecken Sie dann den langen Kasten-Kabel in die äußere Box.
  3. Führen Sie die tDCS-Box-Kabel vom Scanner Kontrollraum in den MRT-Raum. Achten Sie darauf, dieses Kabel so gerade wie möglich laufen, vermeiden Knicke oder Schlaufen, die entlang der Wand des MRT-Raum in Richtung der Rückseite des MRI-Scanner. Setzen mehrere MR-kompatible Sandsäcke auf dem Kabel, um ihre Stabilität zu gewährleisten, wie in Figur 5 gezeigt.
  4. Bringen Sie den inneren Kasten in den MRT-Raum und stecken Sie den Langkasten Kabel hinein (Abbildung 5).

8. MRI Scan Preitung

  1. Bitten Sie den Teilnehmer, den MRT-Raum geben, wenn nicht bereits dort von der tDCS-Test und in Ohrstöpsel.
  2. Eine dünne Kissen unter dem Spulenbereich des MRI Tisch. Fragen Sie die Teilnehmer, auf den Tisch zu legen. Setzen ein Kissen unter den Beinen des Teilnehmers für Komfort und eine Decke, wenn nötig. Geben Sie dem Teilnehmer den Alarmknopf zu Sicherheitszwecken.
  3. Setzen separaten Kopfhörer über beide Ohren, um die Übertragung von Informationen aus dem Scanner Kontrollraum an den Teilnehmer im MRT-Raum zu ermöglichen.
  4. Positionieren der Kopf des Teilnehmers so hoch wie möglich unter dem Bereich, wo der Kopfspule (Oberseite des Kopfes so dicht wie möglich an der Spitze der Tabelle, wo die Spule platziert wird) positioniert werden. Setzen Sie die Elektrodendrähte entlang der rechten Seite des Kopfes des Teilnehmers, wie von der Geräteunternehmen tDCS empfohlen.
  5. Legen Sie die 32-Kanal-Nur-Empfangs-Spule, die um den Kopf des Teilnehmers. Führen Sie die Elektrodenkabel durchdie rechte Seite der Spule. Positionieren Sie den Kopf des Teilnehmers so gerade wie möglich unter Verwendung eines roten Positionslaser (integrierte Funktion des Scanners).
  6. Fragen Sie die Teilnehmer, um Arme und Beine in eine bequeme Position zu bewegen, gleichzeitig aber dafür sorgen, dass die Hände nicht berühren. Achten Sie darauf, um den Teilnehmer zu erinnern, so ruhig wie möglich während der gesamten Sitzung zu bleiben. Wenn der Teilnehmer bereit ist, bewegen Sie die Tabelle über die Mittellinie, um die Elektrodendrähte an der Rückseite des Scanners zu erreichen.
  7. Verwenden medizinisches Band, das Elektrodenkabel an der rechten Seite der Rückseite der Spule zu stabilisieren. Stecken Sie die Elektrodendrähte im Inneren des Scanners in die tDCS Innenkasten. Wird die innere Kasten auf der rechten Seite des Scanners mit einem Sandsack auf sie für maximale Stabilität.
  8. Bewegen Sie den Tisch wieder in seine endgültige Position. Halten die tDCS schaltet und die Elektroden in die äußere Box für den gesamten MRI-Sitzung verbunden ist.

9. Pre-tDCS 1 H-MRS Session

  1. Führen Sie einen Localizer-Sequenz, um Bilder benötigt, um die richtige Positionierung des Kopfes Akkreditierung und zu einem zweiten Localizer, die am Ende der Sitzung erworben werden, für Gesamtbewegung zu überprüfen vergleichen zu erwerben.
  2. Erwerben anatomischen T 1 -gewichteten Bildern MPRAGE zur Positionierung des M1 Voxel und Detektion von möglichen strukturellen Anomalien (T R = 2,300 ms; T E = 2,91 msec, FA: 9 °; FOV = 256 x 256 mm; 256 x 256-Matrix ; T I: 900 ms; 176 Scheiben; Orientierung: sagittal; Erfassungszeit: 4 min 12 sec).
  3. Führen Sie eine Multiplaner Rekonstruktion der Bilder in Ebenen, die mehr für die Visualisierung der Spektroskopie Volumen-of-Interest (VOI) geeignet sind.
    1. In der 3D-Karte, einige der MPRAGE Rohbilder (sagittale Orientierung). Aus dem Fenster "Erstellen parallel Bereiche" wählen Sie "axiale 2X2". Passen Sie die Position der parallelen Linien und klicken Sie auf Speichern, um die axiale orthogonale Ansicht erstellen.
    2. Aus dem Fenster "Erstellen parallel Bereiche" wählen Sie "koronalen 2X2". Passen Sie die Position der parallelen Linien, und klicken Sie auf "Speichern", um den koronalen orthogonale Ansicht erstellen.
  4. Suchen Sie den linken M1 basierend auf Yousry und Kollaborateure 49 anatomischen Landmarken auf den drei Orientierungsscheiben. Dann positionieren Sie den VOI (30 x 30 x 30 mm 3) auf dem Gebiet ohne Winke relativ zu den Scanner-Achse (Abbildung 6).
  5. Erwerben Sie eine Linienbreite Scan (21 s).
    1. Wählen Sie das Spektroskopie-Karte auf Wasserlinienbreite auf der Realteil des Signals von diesem Linienbreite Scan messen. Legen Sie die Linienbreite Rohdaten aus dem Browser. Legen Sie die Linienbreite Messprotokoll (Protokolle Menü: Wählen Sie das Protokoll).
    2. Stellen Sie die Phase mit den Scanner-Software interaktive Nachbearbeitung Tools. Wählen Sie das Phasenkorrekturabschnitt und stellen Sie die Phase für die Baseline mit dem Cursor.
    3. Um die Linienbreite zu reduzieren,führen Sie den FAST (EST) MAP 50 Sequenz dreimal. Wiederholen Sie die Linienbreite Scan und das Line-Breitenmessung (Schritt 9.5). Beachten Sie den letzten Wasserlinienbreite.
  6. Starten Sie 4 Blöcke von 64 Metaboliten Scans (32 "EDIT OFF" und 32 "EDIT ON", verschachtelt) mit einem MEGA-PRESS-Sequenz 44,45, wo VAPOR 51, OVS 51 und individuelle Speicherung von FIDs aktiviert sind (T R = 3 s, T E = 68 ms, Gesamterfassungszeit: 12 min)
  7. Eignen Sie sich ein Wasserbezugs mit MEGA-PRESS Sequenz ohne MEGA Wasserunterdrückung, mit VAPOR Unterdrückung ("nur RF off") und mit einer Delta-Messung bei 0 ppm. Erwerben Sie einen einzelnen Block von 4 Metaboliten Scans statt 64 (Erfassungszeit: 42 sec).

10. tDCS Ordnung

  1. Informieren Sie den Teilnehmer, der tDCS Stimulation beginnt und dass der Scanner schwieg die ganze Stimulation sein.
  2. Wählen Sie eine der beiden zuvor programmte Parameter entsprechend dem Zustand und starten die Stimulation. Verfolgen Sie die Impedanz und Spannung während der 20 min der Stimulation. Wenn die Stimulation ist vorbei, teilt der Teilnehmer, dass die Post-tDCS MRS-Sitzung beginnt. Schalten Sie nicht die tDCS-Gerät.

11. Post-tDCS 1 H-MRS Session

  1. Führen Sie die gleichen Metaboliten Scans mit MEGA-PRESS Sequenz wie die Pre-tDCS scannen aber Doppel den Blöcken des Erwerbs (8 Blöcke von 64 Scans (32 "EDIT OFF" und 32 "EDIT ON", verschachtelt)), um die Stoffwechselprodukte an zwei erwerben verschiedenen Zeitpunkten nach der tDCS.
  2. Wie bei der Pre-tDCS Sitzung erwerben ein Wasser Referenz-Scan mit den gleichen Parametern. Beenden Sie die Sitzung mit einem Lokalisierungssequenz.
  3. Visuell vergleichen die Lokalisierungsbilder am Anfang und Ende des Scan-Sitzung als Index der Kopfbewegung erworben.
  4. Besuchen Sie die Smartcard und gehen Sie zu Browser-Menü. Wählen Sie den ersten und zweiten lokalenizer Rohbilder. Laden Sie die Bilder in der Sichtkarte und vergleichen die beiden Bilder. Exportdaten im DICOM-Format über den Server.

12. Analyse des 1 H-MRS Daten

  1. Importieren von Daten mit Hilfe eines Programmier- und Bearbeitungssoftware und passen Frequenz und Phase individuell gespeichert FIDs mit tCr und TCHO Signal zwischen 2,85 und 3,40 ppm. Um dies zu tun, verwenden Sie lsqnonlin Funktion der Software auf die Frequenz und Phase jeder einzelnen Fourier-transformierten FIDs (Spektren) auf den Mittelwert Spektren der Sitzung passen.
    Hinweis: Dies ist eine ortsspezifische Herangehensweise und andere Methoden für den Import und die Analyse von Daten nicht unbedingt auf die Datenqualität.
  2. Um die endgültige Spektren zu erhalten, subtrahieren die Signale von alternativen Scans mit den selektiven Doppel-gebändert Impulse, die bei 4,7 ppm und 7,5 ppm ("EDIT OFF") angewendet wurden und bei 1,9 ppm und 4,7 ppm ("EDIT ON") (Abbildung 7 ).
  3. Verwenden Sie die LCModel 52für die Analyse von sowohl Differenz und "EDIT OFF" Spektren. Deaktivieren Sie Standardsimulationen und Baseline-Modellierung.
  4. Führen Sie eine Sichtprüfung der Spektren, dass Sitzungen mit Verunreinigungen von subscapularis Lipidsignal auszuschließen (siehe B ild 9).
  5. Im Rahmen der Qualitätskontrolle, auszuschließen Spektren mit Linienbreite von TCR-CH 3 über 10 Hz. Nur sind in den Analyse Metaboliten (GABA, Glx, TCR tnaA), die mit Cramer-Rao Untergrenzen (CRLB) niedriger als 35% quantifiziert wurden.
    Hinweis: CRLB bieten geschätzte Fehler des Metaboliten Quantifizierung. CRLB> 50% ist nicht zuverlässig, und eine empfohlene Cut-off von LCModel Buch. Viele auf dem Gebiet haben eine CRLB niedriger als 35% als Standard zusätzlich verwendet. 53-55 sollte die CRLB bei der Interpretation der Ergebnisse zu halten.
  6. Erhalten GABA und Glx Quantifizierungen von der "DIFF" Spektren, tCr vom "EDIT OFF" Spektren und tnaA sowohl "EDIT OFF" und "; DIFF "Express Konzentrationen der verschiedenen Metaboliten von Interesse als Verhältnisse über tCr Für GABA und Glx, multiplizieren das Verhältnis von der folgenden Gruppe gemittelten Korrekturfaktor für die für den Zähler und Nenner (tnaA aus gebrauchten verschiedenen Basissatz zu berücksichtigen.." EDIT OFF "Spektren / tnaA von" DIFF "Spektren).
    Hinweis: Hinweis: GABA und Glx Konzentrationen können auch mit Wasser oder NAA Signal quantifiziert werden.

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Ergebnisse

Abbildung 6 zeigt die Position des VOI auf der Darstellung der Hand in M1, wo alle MRS Maßnahmen ergriffen wurden entfernt. In 6D, ein 3D-Visualisierung zeigt eine übersichtliche Darstellung der tDCS Elektroden auf der Kopfhaut über dem vermeintlichen primären motorischen Kortex positioniert. 7 zeigt repräsentative "EDIT OFF" und Differenz ("Diff") Spektren in M1 erworben. Peaks, Glx, GABA + MM sowie NAA kann deutlich gesehen werden.

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Diskussion

Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, ein Standardprotokoll für die Kombination von tDCS und 1 H-MRS mit einem 3 T Scanner zu beschreiben. Im nächsten Abschnitt werden methodische Faktoren diskutiert werden.

Kritische Steps
Kontra Screening
Vor dem Versuch, ist es wichtig, für jeden Teilnehmer Bildschirm Kontraindikation zur Verwendung von tDCS und 1 H-MRS. Die Verwendung der folgenden Ausschlusskriterien für tDCS empfohlen: ei...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

Dies funktioniert wurde durch Zuschüsse aus dem kanadischen Institutes of Health Research und den Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada unterstützt. ST wurde von einem Vanier Canada Graduate Stipendium der kanadischen Institutes of Health Research. MM erkennt die Unterstützung von Biotechnology Research Center (BTRC) Zuschuss P41 RR008079 und P41 EB015894 (NIBIB) und NCC P30 NS076408.

Wir möchten Romain Valabrègue (Centre de NeuroImagerie de Recherche - CENIR, Paris, Frankreich) anerkennen und Brice Tiret (Centre Recherche de l'Institut de Universiatire Geriatrie (CRIUGM), Montréal, Kanada; Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies Alternativen (CEA), Paris, Frankreich) für die Entwicklung von Verarbeitungswerkzeugen, und Edward J. Auerbach (Center for Magnetic Resonance Forschung und Klinik für Radiologie, Universität von Minnesota, USA). Die MEGA-PRESS und FASTESTMAP Sequenzen wurden entwickeltvon Edward J. Auerbach und Małgorzata Marjańska und wurden von der University of Minnesota unter einem C2P Vereinbarung vorgesehen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
DC-Stimulator plusNeuroConn30DCS01EMR-kompatibles Gerät
NuPrep Präparat GelWeaver und Co.#10-61
Ten20 leitfähige PasteWeaver und Co.#10-20-4
ElektrodenvorbereitungskissenGrass technologiesMD001770% Isopropylalkohol und Bimsstein
KochsalzlösungLokale Drogerieprobe0,9% Natriumchlorid
Nicht-permanenterHydromarker SharpieSHPE20WH
SYNGO MR VB17Siemens AGMRT-Software
MAGNETOM Trio A Tim SystemSiemens AGMRT-Scanner Version
Matlab 2013a (Version 8.1)MathWorks IncVerarbeitungs- und Analysesoftware
LCModel 6.3LC MODEL incsiehe: s-provencher.com

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