Transkranielle Gleichstromstimulation und Simultan Functional Magnetic Resonance Imaging

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Durchführung einer transkraniellen Gleichstromstimulation oder TDCS während einer simultanen funktionellen Magnetresonanztomographie zu veranschaulichen. Um zu beurteilen, wie die Stimulation die menschlichen Gehirnfunktionen beeinflusst, umfasst der erste Schritt die Zusammenstellung der erforderlichen Ausrüstung, zu der ein MRT, kompatible Kabel, Elektroden und Filterboxen gehören. Als zweiter Schritt muss die TDCS-Ausrüstung innerhalb und außerhalb des Scanners aufgebaut werden.

Anschließend wird der Teilnehmer auf die intra-scan-TDCS-Behandlung untersucht und vorbereitet. Nachdem der Teilnehmer in die Scanneröffnung bewegt wurde, wird die Stimulation eingeschaltet und das FMRI-Experiment beginnt. Schließlich werden die Ergebnisse der Teilnehmer, die während der tDCS-Behandlung gescannt wurden, im Rahmen eines Within-Subjects-Designs mit den Ergebnissen einer separaten Schein-tDCS-Sitzung verglichen, um die Wirkung der Stimulation auf die funktionelle Hirnaktivität aufzudecken.

Der Hauptvorteil der intrakraniellen Stimulation im Vergleich zu rein verhaltensbasierten TMS-Protokollen besteht darin, dass sie die Untersuchung der neuronalen Mechanismen ermöglicht, die den Simulationswirkungen zugrunde liegen. Außerdem bietet sie im Vergleich zu anderen neurobildgebenden Verfahren wie E-E-G-F-M-R-I eine überlegene räumliche Auflösung und erlaubt zudem die Überprüfung der Elektrodenposition am Schädel. Die kombinierte Anwendung von FMRI und TDCS kann dazu beitragen, die neuronalen Mechanismen aufzuklären, die mit der Wirkung von TDCS im gesunden Gehirn sowie bei einer Reihe unterschiedlicher pathologischer Zustände wie Schlaganfall oder Demenz assoziiert sind.

Das Verständnis, wie die tDCS im Gehirn wirkt, könnte letztendlich die klinischen Anwendungen dieser Technik verbessern, da eine Reihe kritischer Schritte zeitlich genau und in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Eine sorgfältige Planung und Vertrautheit mit diesen Schritten sind für eine erfolgreiche Durchführung notwendig. Bei korrekter Anwendung birgt die Technik nur ein minimales Risiko für die Teilnehmer.

Allerdings müssen Forscher sicherstellen, dass sie die etablierten Sicherheitsrichtlinien für MRT und TDCF befolgen. Das experimentelle Design besteht aus zwei fMRT-Abschnitten, die während einer fünfminütigen Ruhezustandssequenz T-D-C-S-A und einer 11-minütigen offenen semantischen Wortgenerationsaufgabe durchgeführt werden. Die 20-minütige TDCS-Behandlung beginnt etwa eine bis zwei Minuten vor den Scans, umfasst die gesamte Dauer der beiden funktionellen Scans sowie kurze Pausen und Anweisungen zwischen den Scans.

Zusätzliche strukturelle Aufnahmen werden nach den Ruhezustands- und Aufgaben-fMRI-Aufnahmen angefertigt. Die Scheinstimulationssitzung umfasst 30 Sekunden TDCS vor der fMRI im Ruhezustand, wobei während des restlichen Protokolls für die Sprachaufgabe kein TDCS angewendet wird. Zur Präsentation der Reize wird eine Software verwendet, um visuelle Bilder verschiedener semantischer Kategorien auf einen Bildschirm innerhalb des Scanners zu projizieren. Die Projektion erfolgt mittels eines Projektors und eines Spiegelsystems, das mit dem Computer verbunden ist.

Ein MRT-kompatibles Mikrofon wird zur Übertragung mündlicher verbaler Antworten verwendet. Um das TDCS-Gerät einzurichten, programmieren Sie das Gerät so, dass es 20 Minuten lang einen konstanten Gleichstrom von einem Milliampere liefert, und stellen Sie sicher, dass der Stimulator ausreichend geladen ist. Andernfalls könnte es während des Experiments herunterfahren. Stellen Sie zudem die gesamte Ausrüstung, Kabel und Elektroden bereit, die für die TDCS gemäß dem schriftlichen Protokoll erforderlich sind.

Platzieren Sie im MRT-Kontrollraum die äußere Filterbox in der Nähe des HF-Filterrohrs, das zum Durchführen von Kabeln in den Untersuchungsraum dient. Beachten Sie, dass die äußere Filterbox deutlich beschriftet ist. Die innere und die äußere Filterbox dürfen nicht verwechselt werden.

Verbinden Sie als Nächstes den Stimulator mithilfe des Stimulatorkabels mit der äußeren Box. Messen Sie die Länge des Boxkabels, das erforderlich ist, um die innere und äußere Filterbox zu verbinden, und berücksichtigen Sie dabei ausreichend Kabel, um es entlang der Wände des Scanner-Raums verlegen zu können. Führen Sie das Boxkabel in das HF-Filterrohr ein und schließen Sie es an die äußere Filterbox im Scanner-Raum an.

Platzieren Sie die innere Filterbox im hinteren Ende der Scannerbohrung und befestigen Sie sie mit Klebeband. Befestigen Sie das Kabel der Box mit Klebeband an den Wänden und schließen Sie es an die interne Scanner-Filterbox an, wobei Schleifen in den Kabeln vermieden werden sollten, da diese eine HF-Erwärmung verursachen können. Untersuchen Sie die Teilnehmer sorgfältig auf Kontraindikationen für MRT und tDCS, wie beispielsweise Herzschrittmacher, metallische Implantate im Körper und Platzangst.

Nach der Erklärung des Verfahrens die informierte Zustimmung einholen, wie bei herkömmlichen TDCS-Aufbauten, um die Elektrodenplatzierung vorzubereiten. Die Haut des Teilnehmers auf bereits bestehende Läsionen untersuchen und eventuelles Haar beiseiteschieben. Anschließend die Haut mit Alkohol reinigen, um den Hautzustand zu verbessern.

Nachdem die Schwammtaschen mit Kochsalzlösung getränkt wurden, bringen Sie die MRT-kompatiblen Elektroden mithilfe eines Stifts, der keine magnetischen Spuren hinterlässt, in den Taschen unter. Markieren Sie zunächst den Schnittpunkt von T drei F drei und F sieben C3 am Kopf des Probanden und anschließend den Mittelpunkt zwischen F sieben und F drei. Kennzeichnen Sie nun die Mitte einer Linie, die diese beiden Punkte verbindet, und platzieren Sie die Anode an dieser Stelle.

Platzieren Sie dann die Kathode über der rechten supraraorbitalen Position und befestigen Sie beide Elektroden mit einem Gummiband. Führen Sie nach einer abschließenden Sicherheitsprüfung außerhalb des Scanners die Versuchsperson in den Scanner-Raum und anschließend nah an den Scanner heran, um das Elektrokabel an die innere Filterbox anzuschließen. Schalten Sie danach den Stimulator ein und prüfen Sie die Impedanz, beispielsweise indem Sie die obere rechte und die untere linke Taste des Stimulators gleichzeitig drücken.

Die Impedanzen sind während dieses Verfahrens aufgrund des höheren Widerstands der Kabel und Filterboxen typischerweise höher als bei Standard-T DS S-Protokollen. Daher ist es entscheidend, die Impedanzen vor Beginn der Aufnahme zu überprüfen. Wenn die Impedanzgrenzwerte erreicht werden, stoppt der Stimulator automatisch. Mögliche Gegenmaßnahmen umfassen die Sicherstellung, dass die Elektroden Kontakt mit der Kopfhaut haben, die Reinigung der Haut sowie das erneute Auftragen von Salzlösung auf die Schwämme.

Platzieren Sie den Probanden auf der Scanner-Gantry. Stellen Sie sicher, dass sich die Elektroden noch in der korrekten Position befinden. Führen Sie dann das Elektrodenkabel durch den unteren linken Teil der Kopfspule und sichern Sie das Kabel, damit es nicht an der Gantry hängen bleibt.

Während der Gantry bewegt wird, schließen Sie danach die Kopfspule und übergeben Sie dem Teilnehmer den Notausschalter. Danach schieben Sie den Teilnehmer in den Scanner.

Bohren Sie als Nächstes, greifen Sie zum Elektrodenkabel vom hinteren Ende des Scanners, schließen Sie es an die innere Filterbox an und verlassen Sie den Raum. Verwenden Sie die Gegensprechanlage des Scanners, um den Teilnehmer über den Beginn der Scan-Sitzung zu informieren. Starten Sie den strukturellen Lokalisierungs-Scan über die Scan-Konsole nach dem Ende der Aufnahmephase.

Überprüfen Sie die Lokalisierungsaufnahme auf Hochfrequenzartefakte, indem Sie doppelt auf die Lokalisierungsaufnahme klicken und den Kontrast halten die rechte Maustaste gedrückt, während Sie die Maus nach links und rechts bewegen. Nutzen Sie die Gegensprechanlage des Scanners, um dem Probanden mitzuteilen, dass die Stimulation beginnen wird und dass er oder sie kurzzeitig ein Kribbeln auf der Kopfhaut verspüren könnte. Wiederholen Sie dann die Anweisungen für den ersten funktionellen Scan.

Bei der Ruhezustandsaufnahme weisen Sie den Teilnehmer an, während der gesamten fünfen Minuten dauernden Aufnahme die Augen geschlossen zu halten. Er oder sie soll sich so wenig wie möglich bewegen und an nichts Bestimmtes denken. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Projektor manuell ausgeschaltet ist.

Beginnen Sie die tDCS etwa ein bis zwei Minuten vor Start der Ruhezustands-funktionellen Aufnahme. Verwenden Sie die Scanner-Konsole, um die Ruhezustandssequenz zu laden. Doppelklicken Sie auf die Ruhezustandssequenz, um das Sichtfeld zu öffnen, und justieren Sie die Position, sodass das gesamte Gehirn erfasst wird und die Ausrichtung ungefähr entlang der vorderen und hinteren Commissur verläuft.

Starten Sie nun den ersten Scan. Überwachen Sie während des Experiments die Impedanz mithilfe einer zweiten Person, wenn Doppelblindstudien durchgeführt werden, während die Ruhezustandssequenz läuft. Laden Sie die zweite funktionelle Bildgebungssequenz, die die Sprachaufgabe ist, und passen Sie das Sichtfeld wie zuvor über die Scannerkonsole an, um die zwischen den Scans benötigte Zeit zu verkürzen.

Nach dem Ende der Ruhezustandssequenz den Projektor einschalten, um die visuelle Darstellung der experimentellen Reize während der Sprachaufgabe zu ermöglichen. Doppelklicken Sie auf das Symbol der Präsentationssoftware und laden Sie das Sprachparadigma. Verwenden Sie das Scanner-Intercom, um die Anweisungen für das aufgabenbezogene fMRT-Paradigma zu wiederholen, und beginnen Sie mit der Aufgabe am Ende der Stimulation und des fMRT-Experiments.

Fahren Sie mit den geplanten strukturellen Aufnahmen fort. Am Ende des Experiments trennen Sie das Elektrodenkabel von der inneren Filterbox, bevor Sie die Versuchsperson aus dem Scannerrohr bewegen. Dann nehmen Sie die Kopfspule ab und bitten die Versuchsperson, sich vorsichtig aufzusetzen und die Elektroden behutsam zu entfernen.

fMRT-Studien während einer semantischen Wortgenerationsaufgabe zeigten eine verminderte Aktivität im ventralen Bereich des unteren frontalen Gyrus sowohl bei jüngeren als auch bei älteren Erwachsenen, die A-T-D-C-S erhielten, im Vergleich zu denselben Probanden während einer Scheinstimulation. In der linken dorsalen Region des unteren frontalen Gyrus und der fMRT wurden keine signifikanten Unterschiede gefunden. Die Ruhezustandsaufnahme während A-T-D-C-S im Vergleich zu einer Ruhezustandsaufnahme derselben 18 Teilnehmer während einer separaten Schein-TDCS-Sitzung veranschaulicht Hirnregionen mit erhöhter Konnektivität, die in Rot dargestellt sind, sowie Regionen mit verminderter Konnektivität, die in Blau gekennzeichnet sind.

In Zukunft könnte diese neue Technik in klinischen Populationen eingesetzt werden, um die Wirksamkeit bestehender Interventionen zu verbessern oder um neue, wissenschaftlich fundierte Protokolle zu entwickeln. Um unser Verständnis der zugrundeliegenden Effekte von TT CS weiter zu vertiefen, könnte diese Technik durch andere Verfahren wie EEG TT S ergänzt werden, um die überlegene zeitliche Auflösung dieser Techniken zu nutzen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis der technischen Anforderungen, der Durchführung und der Sicherheitsaspekte der kombinierten Anwendung von TDCS und MRT haben.