Methodenartikel

Effekte der transkraniellen Wechselstrom Stimulation auf Primärbewegungsrinde durch Online-kombinierter Ansatz mit Transcranial magnetische Anregung

DOI:

10.3791/55839

⸱

23. September 2017

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1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Transkranielle Wechselstrom Stimulation (TAC) ermöglicht die Modulation der kortikale Erregbarkeit in eine Frequenz-spezifische Art und Weise. Hier zeigen wir einen einzigartigen Ansatz verbindet Online-TAC mit Einzelimpuls Transcranial magnetische Anregung (TMS), um "kortikale Erregbarkeit durch Motor evozierten Potentialen Sonde".

Zusammenfassung

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Transkranielle Wechselstrom Stimulation (TAC) ist eine neuromodulatorische Technik agieren durch sinusförmigen elektrischen Wellenformen in einer bestimmten Frequenz und laufende kortikale oszillatorische Aktivität wiederum modulieren. Diese Neurotool ermöglicht die Einrichtung eines Kausalzusammenhangs zwischen endogenen oszillatorische Aktivität und Verhalten. Die meisten der TAC-Studien haben Online-Effekte der TAC gezeigt. Jedoch ist wenig bekannt über die zugrunde liegenden Wirkungsmechanismen dieser Technik wegen der AC-induzierte Artefakte auf Elektroenzephalographie (EEG) Signale. Hier zeigen wir einen einzigartigen Ansatz zur Online-physiologische Frequenz-spezifischen Wirkungen der TAC der primären motorischen Kortex (M1) untersuchen mittels Einzelimpuls Transcranial magnetische Anregung (TMS), um kortikale Erregbarkeit Veränderungen zu erforschen. In unserem Setup wird die TMS Spule über die TAC-Elektrode platziert, während Motor evozierten Potentialen (MEP) erhoben werden, um die Auswirkungen der anhaltenden M1-TAC zu testen. Bisher wurde dieser Ansatz vor allem verwendet, die visuelle und motorische Systeme zu studieren. Jedoch kann das aktuelle Setup der TAC-TMS ebnen den Weg für zukünftige Untersuchungen der kognitiven Funktionen. Daher bieten wir eine Schritt für Schritt Anleitung und video Leitlinien für das Verfahren.

Einleitung

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Transkraniellen Elektrostimulation (tES) ist eine neuromodulatorische-Technik ermöglicht die Änderung der neuronale Zustände durch verschiedene aktuelle Wellenformen1. Zwischen verschiedenen Arten von tES ermöglicht transkranielle Stimulation Wechselstrom (TAC) die Lieferung von sinusförmigen externen oszillierenden Potenziale in einem bestimmten Frequenzbereich und die Modulation der physiologische neuronale Aktivität zugrunde liegenden Wahrnehmungs-, motorischen und kognitiven Prozesse2. Mit TAC, ist es möglich, mögliche kausale Zusammenhänge zwischen endogenen oszillatorische Aktivität und Vorgänge im Gehirn zu untersuchen.

In Vivo, hat sich gezeigt, dass neuronalen Aktivität Spick synchronisiert ist, bei verschiedenen Frequenzen, was darauf hindeutet, dass neuronale feuern durch elektrisch angewandten Bereichen3mitgerissen werden kann. In Tiermodellen koppelt schwache sinusförmige TAC die entladene Frequenz des weit verbreiteten kortikale neuronale Pool4. Beim Menschen kann TAC kombiniert mit Online-Elektroenzephalographie (EEG) die Induktion von den sogenannten "Entrainment" Effekt auf die endogene oszillatorische Aktivität durch die Interaktion mit Gehirn Schwingungen in einem Frequenz-spezifisch5. Kombination von TAC mit Neuroimaging Methoden für ein besseres Verständnis für die Online-Mechanismen ist jedoch wegen AC-induzierte Artefakte6noch fraglich. Darüber hinaus ist es nicht möglich das EEG-Signal über die stimulierte Zielgebiet direkt zu erfassen, ohne eine ringförmige Elektrode, die eine fragwürdige Lösung7ist. So gibt es einen Mangel an systematischer Studien zu diesem Thema.

Bisher gibt es keine eindeutigen Beweise über die nachhaltige Wirkung der TAC nach Stimulation aufhören. Nur wenige Studien haben schwache und unklare Nachwirkungen der TAC auf das motorische System8gezeigt. Darüber hinaus zeugt EEG noch nicht klar über die Nachwirkungen der TAC-9. Auf der anderen Seite zeigten die meisten TAC Studien prominenter Online-Effekte10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, die schwierig, aufgrund technischer Einschränkungen auf einer physiologischen Ebene zu messen sind. Somit ist das übergeordnete Ziel unserer Methode einen alternativen Ansatz um Online- und frequenzabhängige Auswirkungen der TAC auf den motorischen Kortex (M1) zu testen, durch die Bereitstellung von Einzelimpuls Transcranial magnetische Anregung (TMS) bieten. TMS erlaubt Forschern, den physiologischen Zustand des menschlichen Bewegungsrinde19"Sonde". Darüber hinaus können wir durch die Aufnahme motorische evozierte Potentiale (MEP) auf der kontralateralen Seite des Subjekts, die Auswirkungen der anhaltenden TAC11untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht uns genau Monitor Änderungen in kortikospinalen Erregbarkeit durch Messung MEP Amplitude während Online-Elektrostimulation bei verschiedenen Frequenzen in einem artefaktfrei Wohnort geliefert. Darüber hinaus kann dieser Ansatz auch Online-Auswirkungen der andere Wellenform des tES testen.

Um die kombinierte TAC-TMS Effekte zu demonstrieren, zeigen wir das Protokoll durch die Anwendung von 20 Hz AC Stimulation über den primären motorischen Kortex (M1) während der Online-Neuronavigated Einzelimpuls TMS geliefert ist durchsetzt von zufälligen Intervallen von 3 bis 5 s um zu testen, M1 kortikale Erregbarkeit.

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Protokoll

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alle Verfahren wurden von der lokalen Forschungsethikkommission der Higher School of Economics (HSE), Moskau, mit Zustimmung von allen Teilnehmern genehmigt.

Hinweis: die Teilnehmer müssen keine Geschichte der metallischen Implantaten, neurologischen oder psychiatrischen Krankheit, Drogenmissbrauch oder Alkoholismus melden. TMS ist nach den jüngsten Sicherheit Richtlinien 20 verwendet. Themen müssen umfassend über die Natur des Forschungs- und Zeichen einer Einwilligungserklärung informiert werden, vor Beginn des Experiments. Wir zeigen eine ganze Reihe von Ausrüstung benötigt, um die Online-Verbindung TAC-TMS-Protokoll ausführen durch Stimulation der dominanten M1 ( Abbildung 1; Tabelle der Werkstoffe).

1. Platz Elektromyographie (EMG) Elektroden in eine bipolare Bauch-Sehne Montage

  1. reinigen Sie die Haut mit einem Reinigungs Peeling unter den Elektroden zu niedrigen Haut Impedanz (unter 10 kOhm).
  2. Stellen Sie die aktiven EMG-Elektrode auf die ersten Rückenmuskel der Membrana (FDI) und Referenzelektrode am Knochen 2 cm distal und der Masseelektrode mehr proximal auf dem Arm

2. Identifizieren das Ziel für die Stimulation Protokoll

Hinweis: hier, wir die rahmenlose TMS-Navigations-System verwenden, um zu erreichen, eine korrekte Positionierung der TMS Spule.

  1. Platzieren Sie die Tracking-Sensoren über die Glabella zwischen den Augenbrauen und über der Nase des Teilnehmers.
  2. Öffnen Sie die Navigations-System-Software. Verwenden Sie einzelne Teilnehmer ' Strukturdaten T1 Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) und führen Sie eine Co-Registrierung des Teilnehmers ' Kopf und ein 3D MRT Kopf über das Navigationssystem.
  3. Genau, setzen Sie die Spule über den primären motorischen Hand-Bereich, die so genannte " motor-Regler " Region ( Abbildung 2).
  4. Beginnen, die einzelnen Impuls TMS und Abgeordneten des Europäischen Parlaments zu testen; TMS wird von einem Stimulator geliefert (siehe Tabelle der Materialien) mit einer standard Achter-75-mm-Spule verbunden. Lokalisieren der " Hotspot " der linken M1, halten Sie die Spule tangential an der Kopfhaut mit dem Griff nach hinten und seitlich, zeigen Winkel von 45° von der Mittellinie sagittale Achse des Teilnehmers ' Kopf s.
  5. Sobald der Hotspot (d. h. der Kopfhaut Punkt Marktverständnis Abgeordneten an der Schwelle von der kontralateralen untersucht Handmuskeln) gefunden haben, markieren Sie es mit einem Bleistift zur Erleichterung der Anwendung der TAC Ziel Elektrode.

3. TAC Elektroden Vorbereitung

  1. Connect 2 Oberfläche Kochsalzlösung getränkten Schwamm Elektroden (Größe: 5 x 7 cm) auf das Gerät Stimulation erzeugen die elektrischen Wechselstrom (z. B. Brainstim).
  2. Um Hautgefühl zu minimieren, ständig sättigen die Elektroden mit einer Kochsalzlösung, Impedanzen unterhalb 10 kOhm während der gesamten Stimulationssitzung ganze zu halten.

4. TAC Protokoll Set Up

  1. um die TAC-Protokoll mit dem Stimulator Gerät einzurichten, zunächst den Akkuladestand.
  2. Mit der Software eine neue Sitzung öffnen und verwalten ein neues Protokoll Stimulation.
    1. Das Protokoll zu nennen (z. B. " Beta ").
    2. Stellen Sie die Frequenz der Stimulation (z. B. 20Hz).
    3. Wählen Sie die Wellenform (z. B. sinusförmig).
    4. Setzen die Gesamtdauer des Protokolls Stimulation (z. B. 600 s).
    5. Schließlich, stellen Sie die Intensität der Stimulation (z. B. 1 mA), set Offset einblenden, ausblenden und phase bei " 0 ".
      Hinweis: ein wenig timing zu verblassen und die Stimulation (ca. 30 s) können vorgeschlagen werden, um keine negativen oder unangenehmen neurosensorische Effekte für das Thema zu vermeiden.
    6. Das Gerät aktivieren ' s " Bluetooth " funktionieren und laden Sie das Protokoll aus der Software zu den Stimulator.

5. TAC Elektroden Montage

  1. Ort der " Ziel " Elektroden auf der Kopfhaut, dem markierten Punkt entspricht. Ort der " Referenz " Elektrode über die ipsilateralen Schulter mit spezifischen Klebeband in einem " monopolare Montage " 21.
  2. Stellen Sie sorgfältig das erste Gummiband auf den Kopf in Bezug auf die Neuronavigation Kopf-Sensoren Position. Befestigen Sie mit dem zweiten Gurt, die Elektrode Zielposition.
  3. Wenn TAC Elektroden auf der Kopfhaut und auf der ipsilateralen Schulter platziert haben, verbinden Sie sie mit dem Stimulator.
  4. Vor Beginn der Stimulationssitzung sicherzustellen durch Sichtkontrolle, dass Position des Ziel-Elektrode über die markierten Hotspot zentriert ist.

6. Ermittlung der ruhenden Motor Threshold (RMT)

  1. Ort der TMS Spule über die Ziel-TAC-Elektrode und sorgfältig ausrichten Spule über den Hotspot ( Abbildung 3) durch die Verwendung des Neuro-Navigationssystems.
  2. Messen die RMT entsprechend dem kombinierten TAC-TMS-Setup (d. h. TMS Spule über die Elektrode). Insbesondere die Intensität TMS in Bezug auf die Dicke der TAC-Elektrode um zu überprüfen, für eine zuverlässige RMT.
    1. Die RMT einzeln zu messen, es ist definiert als die minimale Intensität erforderlich induzieren Abgeordnete in der FDI-Muskel mit einer Amplitude von 50 mV (Peak to Peak) in 5 von 10 Studien 22.
  3. Stellen Sie die Intensität der Stimulation TMS 110 % der RMT um die experimentelle Sitzung zu starten.

7. experimentelle Verfahren

  1. die EMG-Software öffnen und EMG-Aufzeichnung starten.
  2. Beginnen die TAC Stimulation.
  3. Während der Stimulation liefern TMS Einzelimpulse durchsetzt von zufälligen Intervallen von 3 bis 5 Sekunden.
  4. Sorgen dafür, dass jede Sitzung der Stimulation (z. B. 20 Hz TAC Stimulation gefolgt von einer Farce/ein anderes Steuerelement Frequenz) nicht länger als 90 Sekunden mit einem Inter Sitzung Intervall ca. 3 Minuten dauert, um mögliche Verschleppung zu vermeiden die vor Stimulation Frequenz/Zustand 11 , 13.

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Ergebnisse

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Der erste Beweis für einen TAC/TMS kombinierten Ansatz zeigte Kanai Et Al. im Jahr 2010. In dieser Studie die Autoren angewendet TAC in der primären Sehrinde (V1) und demonstriert eine Frequenzspezifische Modulation von der visuellen kortikale Erregbarkeit durch Online-TMS-induzierte Besp Wahrnehmung15gemessen. Eine verfeinerte Version des Protokolls wurde angenommen, um eine physiologische Modulation des motorischen Kortex Erregbarkeit untersuchen von Feu...

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Diskussion

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Dieser Ansatz stellt eine einzigartige Gelegenheit direkt online-Auswirkungen der TAC der Primärbewegungsrinde durch kortikospinalen Messausgang durch Abgeordnete Aufnahme testen. Die Platzierung der TMS Spule über die TAC-Elektrode stellt jedoch einen entscheidender Schritt, der genau durchgeführt werden sollte. Daher empfehlen wir zunächst Experimentatoren einen Zielpunkt zu finden, von einzelnen Impuls TMS, dann markieren Sie ihn auf der Kopfhaut und erst danach legen Sie die TAC-Elektrode über den Hotspot. Darüber hi...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Studie wurde von russischen Science Foundation unterstützt gewähren (Vertragsnummer: 17-11-01273). Besonderer Dank geht an Andrey Afanasov und Kollegen von multifunktionalen Innovationszentrum für Fernsehen Technics (National Research University, Higher School of Economics, Moskau, Russische Föderation) für video-Aufnahme und Videobearbeitung.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
BrainStim, hochauflösender transkranieller StimulatorE.M.S., Bologna, ItalienEMS-BRAINSTIM
Paar 1,5m Kabel zum Anschluss von leitfähigen SilikonelektrodenE.M.S., Bologna, ItalienEMS-CVBS15
Wiederverwendbare leitfähige Silikonelektroden 50x50mmE.M.S., Bologna, ItalienFIA-PG970/2
Wiederverwendbarer Spontex-Schwamm für Elektrode 50x100mmE.M.S., Bologna, ItalienFIA-PG916S
Gummigürtel – 75 cmE.M.S., Bologna, ItalienFIA-ER-PG905/8
Kunststoff nicht traumatischer KnopfE.M.S., Bologna, ItalienFIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Bologna, Italien
MagPro X100 MagOption - transkranieller magnetischer StimulatorMagVenture, Farum, Dänemark9016E0731
8-förmige Spule MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Dänemark9016E0462
Stuhl mit NackenstützeMagVenture, Farum, Dänemark9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigationsplattform, Premium editionLocalite, GmbH, Deutschland21223
Localite TMS Navigator - MR-basierte Software, Datenimport für morphologische MRT (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Deutschland10226
MagVenture 24.8 Spulentracker, Geom 1Localite, GmbH, Deutschland5221
Elektrodendrähte für Oberflächen-EMG  EBNeuro, Italien 6515
Oberflächenelektroden für EEG/EMG EBNeuro, Italien 6515
BrainAmp ExG Verstärker - bipolarer VerstärkerBrain Products, GmbH, Deutschland
  BrainVision Rekorder 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Deutschland
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company, USA
Spritzen
Klebeband
NaCl-Lösung

Referenzen

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Transcranial Alternating Current StimulationTranscranial Magnetic StimulationPrimary Motor CortexMotor Evoked PotentialsOnline Combined ApproachCortical ExcitabilityFrequency Specific EffectsTACS TMS ProtocolElectroencephalography ArtifactsSinusoidal Waveform Stimulation

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