Transkranielle Gleichstromstimulation und Simultan Functional Magnetic Resonance Imaging

Summary

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Gehirnstimulation Technik. Es hat sich erfolgreich in der Grundlagenforschung und klinischen Einrichtungen verwendet worden, um die Hirnfunktion beim Menschen zu modulieren. Dieser Artikel beschreibt die Umsetzung der tDCS und gleichzeitige funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), um die neuronalen Grundlagen der tDCS-Effekte zu untersuchen.

Abstract

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Gehirnstimulation Technik, die schwache elektrische Ströme auf der Kopfhaut verabreicht, um die kortikale Erregbarkeit zu manipulieren und damit das Verhalten und Gehirn-Funktion verwendet. In den letzten zehn Jahren haben zahlreiche Studien kurz-und langfristigen Auswirkungen der tDCS auf verschiedenen Maßnahmen der Verhaltensleistung während motorischen und kognitiven Aufgaben sowohl bei gesunden Personen und in einer Reihe von verschiedenen Patientengruppen angesprochen. Bisher ist jedoch wenig über die neuronalen Grundlagen der tDCS Wirkung beim Menschen hinsichtlich Großhirn Netzwerke bekannt. Dieses Problem kann durch die Kombination von tDCS mit funktionellen bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) oder die Elektroenzephalographie (EEG) angesprochen werden.

Insbesondere ist fMRI die am weitesten verbreitete bildgebendes Verfahren, die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik zu untersuchen. Applicatiauf der tDCS während fMRT ermöglicht die Analyse der neuronalen Mechanismen, die Verhaltens tDCS-Effekte mit hoher räumlicher Auflösung über das gesamte Gehirn. Aktuelle Studien mit dieser Technik identifiziert Stimulation induzierten Veränderungen in aufgabenbezogene funktionelle Hirnaktivität an der Stimulationsstelle und auch in weiter entfernten Hirnregionen, die mit Verhaltens Verbesserung verbunden wurden. Außerdem tDCS während Ruhezustand fMRI verabreicht erlaubte die Identifizierung der weit verbreiteten Veränderungen in ganze Gehirn funktionelle Konnektivität.

Zukünftige Studien mit dieser Kombination Protokoll sollte neue Einblicke in die Mechanismen der tDCS Aktion in Gesundheit und Krankheit und neue Optionen für gezieltere Anwendung der tDCS in der Forschung und klinischen Einrichtungen ergeben. Die vorliegende Manuskript beschreibt diese neue Technik in einer Schritt-für-Schritt-Mode, mit dem Fokus auf technische Aspekte der tDCS während fMRI verabreicht.

Introduction

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Methode der Hirnstimulation, in der kortikalen Funktion wird durch einen schwachen elektrischen Strom (in der Regel 1-2 mA) zwischen zwei Kopfhaut-Elektroden angebracht projiziert moduliert. Physiologisch induziert tDCS eine polaritätsabhängige Verschiebung in neuronalen Ruhemembranpotential (RMP) innerhalb des Ziel kortikalen Bereich durch die Manipulation von Natrium-und Calciumkanäle, wodurch Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit ¹ fördern. Insbesondere anodische Stimulation (atDCS) wurde gezeigt, dass kortikale Aktivität zu erhöhen über Depolarisation der neuronalen RMP, während die kathodische Stimulation (ctDCS) reduziert kortikalen Erregbarkeit ^2. Im Vergleich zu anderen Arten von Gehirn-Stimulation (zB transkranielle Magnetstimulation) Sicherheit hat sich gut etabliert und bisher keine schwerwiegenden Nebenwirkungen wurden auch in gefährdeten Bevölkerungsgruppen ^{3, 4} berichtet. Auch, zumindest für lower Stimulationsintensität (bis zu 1 mA), ein wirksames Placebo ("Schein") Stimulation Bedingung vorhanden ^5, die eine effektive Verblindung der Teilnehmer und die Ermittler zu den Stimulationsbedingungen, Rendering tDCS ein attraktives Werkzeug in der experimentellen und klinischen Forschung-Einstellungen.

Zahlreiche Studien haben bisher gezeigt, dass diese Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit in Verhaltensmodulationen führen. In der Motor-System, haben einheitliche Polarität abhängige Effekte wurde berichtet, ^{1, 6} für beide atDCS und ctDCS. In der kognitiven Studien, die Mehrzahl der Studien, die atDCS eingesetzt, um kognitive Funktionen verbessern berichtet positive Auswirkungen auf die Performance ^7, während ctDCS häufig nicht zu einer Beeinträchtigung der kognitiven Verarbeitung führen. Letztere können durch die größere Redundanz der neuronalen Verarbeitungsressourcen Erkenntnis zugrunde liegenden ⁶ erklärt werden. Die Mehrheit der tDCS Studien haben Cross-over-Designs verwendet werden, um zu studierendie unmittelbaren Auswirkungen der Stimulation, die die Beendigung der Strom nur für kurze Zeit ^ein überdauern. Es wurde jedoch vorgeschlagen, dass Auswirkungen auf die Stimulation der Proteinsynthese, das heißt die neuronalen Mechanismus zugrunde liegende Mann Nahme ⁸ wiederholt. Tatsächlich kann motorische oder kognitive Trainingserfolg verbessert, wenn bei wiederholter tDCS Sitzungen und Langzeitstabilität dieser Verbesserungen berichtet worden, um eine bis zu mehrere Monate bei gesunden Erwachsenen ^8-10 kombiniert werden. Solche Erkenntnisse haben auch löste ein Interesse an der Nutzung der tDCS in klinischen Kontexten und vorläufigen Daten deuten darauf hin, dass es auch nützlich, als Haupt-oder Zusatzbehandlung Ansatz in verschiedenen klinischen Populationen ³ sein. Doch während eine relativ große Anzahl von Studien behandelt neurophysiologischen Auswirkungen der tDCS im motorischen System, ist wenig über die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen der tDCS Auswirkungen auf kognitive Funktionen des Gehirns in Gesundheit und Krankheit bekannt.Ein besseres Verständnis der Wirkungsweise von tDCS ist eine notwendige Voraussetzung für eine zielgerichtete Anwendungen TDCs in Forschungs-und klinischen Umgebungen.

Dieses Problem kann durch die Kombination von tDCS mit funktionellen bildgebenden Verfahren wie die Elektroenzephalographie (EEG) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) angesprochen werden. Die Mehrzahl der Studien, die die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik haben sich entschieden, fMRI ¹¹ beschäftigen. Insbesondere ist fMRI die am weitesten verbreitete bildgebendes Verfahren, die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik ¹¹ zu untersuchen. Außerdem, wenn bei gleichzeitiger Anwendung der tDCS kombiniert, ermöglicht fMRI-Untersuchung der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen Verhaltens tDCS-Effekte mit höherer räumlicher Auflösung über das gesamte Gehirn im Vergleich zum EEG (für die jüngsten Beschreibungen kombiniert tDCS-EEG sehen Schestatsky et al. ^12). Die vorliegende Manuskript beschreibt thE kombinierten Einsatz von tDCS bei gleichzeitiger fMRT. Diese neue Technik wurde erfolgreich verwendet, um die neuralen Mechanismen, die tDCS-induzierte Modulation von motorischen und kognitiven Funktionen ^13-19 studieren. In der Zukunft wird diese kombiniert Protokoll neue Einblicke in die Mechanismen der tDCS Aktion in Gesundheit und Krankheit ergeben. Das Verständnis der Auswirkungen der tDCS auf große neuronale Netzwerke, wie mit dieser Technik kann beurteilt die Grundlage für gezieltere Anwendung der tDCS in der Forschung und klinischen Einstellungen legen.

Die Handschrift wird auf die Unterschiede zwischen Verhaltens tDCS Experimente und den kombinierten Einsatz von tDCS bei gleichzeitiger fMRT zu konzentrieren, mit besonderem Akzent auf die Hardware-Anforderungen, die Anwendung der Technik und Sicherheitsaspekte. Als Beispiel, eine einzige Sitzung der tDCS auf der linken inferioren frontalen Gyrus (IFG) während aufgaben abwesend Ruhezustand (RS) fMRI und während einer Sprachaufgabe ^{14, 15} w verabreichtschlecht beschrieben, obwohl viele andere Anwendungen möglich ^{16, 19} sind. Einzelheiten der Versuchsplanung, Teilnehmer Eigenschaften und fMRI Verfahren der Datenanalyse sind im Detail in den Originalpublikationen ^14,15 beschrieben und gehen über den Rahmen der vorliegenden Manuskripts. Darüber hinaus wird in diesen Studien eine zusätzliche funktionelle Magnetresonanztomographie, die beteiligt Schein-tDCS erworben wurde und im Vergleich zu den Ergebnissen der Sitzung atDCS (siehe "repräsentativen Ergebnisse" für Details). Diese Sitzung war identisch mit dem in der vorliegenden Handschrift, mit der Ausnahme, dass die Stimulation wurde vor Beginn der Scan-Sitzung (siehe Abbildung 1 für Details) eingestellt. Das vorliegende Verfahren wurde erfolgreich in einem 3-Tesla-MRT-Scanner Siemens Trio an der Berliner Centre for Advanced Imaging (Charité Universitätsmedizin, Berlin, Deutschland) durchgeführt und sollte im Prinzip auf andere Scanner sowie ^13.

Protocol

1. Kontraindikationen und besondere Hinweise

1. Gründlich Bildschirm Teilnehmer für MRI Kontraindikationen (zB Herzschrittmacher, Klaustrophobie, etc.) und verstehen sich, wenn nötig. Erwerben Standard-Fragebögen bei klinischen oder Forschungseinrichtungen, die MRI-Scanner bedienen. Halten Sie sich immer Standard-Sicherheitsverfahren bei der Eingabe der Scanner-Raum.
2. Gründlich Bildschirm Teilnehmern für Kontraindikationen für tDCS. Diese können mit Kontraindikationen für MRT überlappen. Siehe ²⁰ Villamar et al. Für ein Beispiel.
3. Beraten Sie sich mit der Betriebsstätte zu den lokalen Sicherheit und Ethik Vorschriften und erforderlichen Berechtigungen zu erhalten. Test für potentielle Bildartefakte von der Stimulationsstrom oder tDCS Ausrüstung vor dem Beginn des eigentlichen Experiments (z. B. durch Testen der Auswirkungen von tDCS auf Signal-zu-Rausch-Verhältnis ^{17, 18)} induziert.

2. FMRI-Setup, Experimentelles Design und Materialien

Hinweis: Die Verwendung von tDCS innerhalb einer MRI-Scanner erfordert eine spezielle Ausrüstung. Insbesondere spezielle MRT-kompatible Kabel, Filterboxen, Elektroden und Riemen, um die Elektroden an Kopf Probanden befestigen sind erforderlich. Abbildung 2 veranschaulicht (A) Standard-Ausrüstung und tDCS (B)-Komponenten für die Verwendung mit MRT. Die letzteren Komponenten sind notwendig, um die Möglichkeit der Erwärmung unter der durch während MRI ausgesendeten Hochfrequenzimpulse Elektroden zu verhindern. Darüber hinaus können Hochfrequenz-Bildartefakte durch die tDCS Einrichtung induziert werden. Beide können durch Verwendung von Filterboxen außerhalb und innerhalb des Scanners Raum positioniert, Kabel mit Widerständen und dedizierte MRI-kompatiblen leitenden Gummielektroden verhindert werden können.

1. Führen allgemeinen Versuchsaufbau und Sequenzen für die fMRI. Beide hängen von den Zielen der Studie. Hinweis: Die unten Protokoll ist SpeziFIC diesem Experiment kann aber geändert, um zu einer Anzahl von verschiedenen experimentellen Situationen angewendet werden.
2. Verwenden Sie einen Desktop-Computer mit Reizdarbietung Software für eine Sprachaufgabe, die visuelle Darstellung von semantischen Kategorien im Scanner installiert beinhaltet. Präsentieren Sie diese Reize auf einem Bildschirm im Inneren des Scanners über einen Projektor an den Computer und ein System von Spiegeln verbunden.
3. Verwenden Sie ein MRT-kompatibles Mikrofon für die Übertragung von offener verbale Reaktionen. Erwerben Sie zwei Funktionsabläufe während tDCS: ein Fünf-Minuten-Aufgabe abwesend RS-Sequenz und eine offene semantische Aufgabe Wort-Generation. Hinweis: weitere Details der Versuchsaufbau haben fMRI Sequenzen und Reize zuvor im Detail ^{14, 15} beschrieben und Abbildung 1 zeigt das Experiment.
4. So richten Sie das Gerät tDCS, Programm das Gerät an einen konstanten Gleichstrom von 1 mA für 20 Minuten zu liefern, um die gesamte Dauer der beiden Funktions Scan deckens, auch kurze Pausen und Zeit für Anweisungen zwischen den Scans ^{14, 15.} Stellen Sie sicher, sicher, dass der Stimulator ausreichend geladen ist; sonst kann es sich während des Experiments geschlossen.
5. Stellen Sie sicher, dass alle notwendigen Materialien zur Verfügung (Abb. 2).

3. TDCS Setup-Außen-und Scannerinneren (siehe Abbildung 3 für eine schematische Übersicht)

1. Platzieren des äußeren Filterkasten in der Nähe des Hochfrequenzfilter (HF-) Rohr (dh der Durchstoßpunkt in der Hochfrequenz-Abschirmung des Kernspintomographen, die verwendet werden, um Kabel von außerhalb des Scanners einfügen). Schließen Stimulator mit der äußeren Box mit Kabel-Stimulator. Innere und äußere Filterkasten dürfen nicht vertauscht werden. Hinweis: 4A veranschaulicht die tDCS Aufbau außerhalb des Scanners. Der äußere Kasten ist deutlich in Fig. 4B gekennzeichnet.
2. Messen Kabellänge benötigt, um inn verbindener mit äußeren Box mit Kabel-Box (siehe nächster Punkt in Bezug auf Positionierung der Kabel in Scanner-Zimmer). Legen Box-Kabel in RF Rohr von der Außenseite des Scanners und in Verbindung mit Außenfilterkasten (Abbildung 4A).
3. Platzieren inneren Filterkasten innerhalb des hinteren Endes des Scanners Bohrung (5); Klebeband verwenden, um sie in Position zu halten. Verbinden Box Kabel mit Innenfilterkasten und vermeiden Sie Schleifen in irgendwelche Kabel, da diese HF-Erwärmung verursachen. Hinweis: Das Kabel sollte mit den Wänden des Scannerraum ausgerichtet und mit einem Klebeband (Fig. 3) befestigt werden.

4. Teilnehmer Vorbereitung und Positionierung der Teilnehmer in Scanner

1. Wie bei konventionellen tDCS-Set-ups, überprüfen Sie die Haut der Teilnehmer für alle bereits bestehenden Läsionen, bewegen Sie das Haar, saubere Haut mit Alkohol zu entfernen, Haarspray, Bodylotion, usw. zu Hautleitfähigkeit unter den Elektroden ^12, 21.
2. Schwämme Taschen mit Kochsalzlösung und setzen MRI-kompatiblen Elektroden in Taschen (siehe DaSilva ²¹ für allgemeine Erwägungen der Teilnehmer Vorbereitung und Elektrodenpositionierung).
3. Mark Elektrodenpositionen auf Köpfen Probanden mit einem Stift, der keine ferromagnetische Spuren (z. B. nicht mit Eyeliner) verlässt. Bestimmen Zielposition für Anode mit 10-20 EEG-System (hier: links IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Um dies zu tun, suchen Sie (a) die Schnittmenge von T3-F3 und F7-C3 und (b) den Mittelpunkt zwischen F7-F3. Die Zielposition ist in der Mitte einer Verbindungslinie (a) und (b). Platz Kathode (10 x 10 cm ²⁾ über rechten Supraorbitalposition (für Details der Elektrodenplatzierung siehe Meinzer et al. ^{14, 15).} Bringen Elektroden an Kopf mit Gummiband.
4. Führen Sie die Teilnehmer hinter dem Scanner und verbinden Elektrodenkabel mit dem inneren filter Feld. Schalten Sie Stimulator und Testimpedanz durch gleichzeitiges Drücken der oberen rechten und unteren linken Knopf der Stimulator. Wenn die Impedanz Grenzen erreicht sind, dann wird der Stimulator stoppt automatisch. Ist dies der Fall, überprüfen Sie, ob Elektroden haben Kontakt mit der Kopfhaut, saubere Haut wieder mehr oder Kochsalzlösung anwenden, wenn Schwämme zu trocken werden, und dann überprüfen, ob einer Kabel gebrochen ist. Hinweis: Die Impedanz ist in der Regel höher im Vergleich zu herkömmlichen Set-ups wegen der zusätzlichen Kabel und Filterboxen zwischen Stimulator und Elektroden.
5. Leitfaden Teilnehmer in den Scanner-Raum (nach einem letzten Sicherheitsprüfung). Positionieren Sie die Teilnehmer auf dem Scanner Portal und stellen Sie sicher, dass die Elektroden noch in der richtigen Position sind. Schließen Sie die Kopfspule. Das Elektrodenkabel sollten durch den unteren linken Teil des Kopfspule (siehe Abbildung 6) oder nach den Empfehlungen des Herstellers eingespeist werden.
6. Bewegen Teilnehmer in Scanner Bohrung. Stellen Sie sicher, dass das Kabel zu tunes nicht auf dem Portal zu fangen und zu brechen (siehe Abbildung 6 für eine mögliche sichere Position des Kabels in dieser Phase). Wenn der Teilnehmer die endgültige Position im Inneren des Scanners erreicht hat, erreichen die Elektrodenkabel von dem hinteren Ende des Scanners und an der inneren Filterkasten. Hand über Notfall-Taste, um Teilnehmer und den Scanner Raum verlassen.

5. Starten der Stimulation

1. Verwenden Sie Scanner-Gegensprechanlage, um den Teilnehmer zu Beginn der Scan-Sitzung zu informieren. Starten Sie den Struktur Localizer-Scan (-an-Kopf-Position des Teilnehmers in Scanner bestimmen und damit für die Planung der späteren funktionellen und strukturellen Scans) mit Hilfe der Raster Konsole. Überprüfen Localizer-Scan für Hochfrequenz-Artefakte: Doppelklicken Sie auf Localizer-Scan nach dem Ende des Erfassungszeitraum und Kontrast einstellen (für Siemens Trio durch Halten der rechten Maustaste und Bewegen der Maus nach links und rechts; Beispiele siehe 7Aund 7B).
2. Verwenden Sie Scanner-Gegensprechanlage, um zum Thema, die der Stimulation beginnen zu kommunizieren, und dass er / sie ein Kribbeln auf der Kopfhaut für eine kurze Zeit fühlen könnten. Wiederholen Anweisungen für erste Funktions Scan. In diesem Beispiel, weisen Sie den Teilnehmer, um die Augen für die Dauer des Scans (5 min) geschlossen zu halten, bewegen Sie so wenig wie möglich und denke an nichts Besonderes. Stellen Sie sicher, dass Projektor ausgeschaltet ist (Bildschirm im Scanner Bohrung ist schwarz), visuelle Stimulation während der RS-Scan zu vermeiden.
3. Starten Stimulation manuell etwa 1-2 Minuten vor dem Beginn der ersten Funktionsscan (RS-Scan). Verwenden Sie Scanner-Konsole, um RS-Reihenfolge zu laden. Klick auf RS-Doppelfolge zu öffnen Feld-of-View (FOV), passen Sie Position, um das gesamte Gehirn bedecken und etwa ausrichten mit der anterior-posterioren Kommissur. Starten Sie den ersten Scan (mit der START-Scan-Taste).
4. Überwachung der Impedanz während des Experiments. Hinweis: Wenn die experiment in einer Doppelblind-Modus (Teilnehmer und Forscher sind auf die Stimulation geblendet) durchgeführt wurde, kann ein zweiter Forscher notwendig sein, um die Impedanz zu überwachen.
5. Während die RS-Sequenz läuft, laden zweite funktionelle Bildgebungssequenz (für spätere Sprachaufgabe) und stellen FOV, mit Scanner-Konsole wie oben zu Zeit in den zwischen den Scans zu reduzieren. Nach dem Ende des RS-Sequenz, schalten Sie den Projektor für visuelle Darstellung der experimentellen Stimuli während der Sprachaufgabe zu ermöglichen. Klicken Sie doppelt auf Präsentations-Software-Symbol und Sprache laden Paradigma. Verwenden Sie Scanner-Gegensprechanlage, um Anweisungen für die aufgabenbezogene fMRI-Paradigma zu wiederholen und beginnen mit Aufgabe ^{14, 15.}
6. Nach dem Ende der Stimulation / fMRI-Experiment, mit geplanten Struktur Scans fortzusetzen. Elektrodenkabel, bis zum Ende der Scan-Sitzung nicht trennen.
7. Am Ende des Experiments, trennen Elektrodenkabel von der inneren Filterkasten, bevor Teilnehmer ausvon Scanner-Bohrung. Entfernen Teilnehmer aus dem Scanner, lösen Kopfspule und bitten die Teilnehmer, sich aufzurichten und Elektroden vorsichtig entfernen.

Results

Funktionelle MRT ist die am häufigsten verwendete funktionelle Bildgebungstechnik, die zugrunde liegenden Mechanismen der neuronalen motorische oder kognitive Funktionen zu adressieren. In jüngerer Zeit hat fMRI auch zur tDCS Auswirkungen auf kortikale Aktivität und Konnektivität zu bewerten. Die meisten dieser Studien verabreicht tDCS außerhalb des Scanners und offline ausgewertet Wirkungen der Stimulation (dh verabreicht tDCS vor dem Scannen ^{22, 23).} Nur wenige Studien haben bisher tDCS bei gleichz...

Discussion

Die kombinierte Anwendung der tDCS mit gleichzeitiger fMRT hat für die Aufklärung der neuronalen Grundlagen von den unmittelbaren Auswirkungen der Stimulation über das gesamte Gehirn mit hoher räumlicher Auflösung ^13-19 Potenzial gezeigt. In Zukunft können solche Studien durch kombinierte EEG-tDCS Studien ergänzt werden, um die überlegene zeitliche Auflösung der letzteren Technik zu nutzen. Darüber hinaus ermöglicht intrascanner Stimulation Überprüfung der korrekten Positionierung der Elektroden auf der Kopfh...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Deutschland	21
Hardware-Erweiterung DC-Stimulator MR (2 MRT-kompatible Gummielektroden, Elektroden- und Boxkabel und innere Filterbox; äußere Filterbox und Stimulatorkabel)	NeuroConn, Illmenau, Deutschland
2 Schwammpads für Gummielektroden (7 cm x 5 cm und 10 cm x 10 cm)	NeuroConn, Illmenau, Deutschland
Gummi-Kopfband
NaCl-Lösung
Maßband			Zur Bestimmung der Elektrodenposition mit dem EEG 10-20
System Pen			Wird bei der Elektrodenpositionierung verwendet