Gleichzeitige transkranielle Wechselstromstimulation und funktionelle Magnetresonanztomographie

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist ein vielversprechendes Werkzeug für die nichtinvasive Untersuchung von Hirnschwingungen, obwohl ihre Wirkungen nicht vollständig verstanden werden. Dieser Artikel beschreibt einen sicheren und zuverlässigen Aufbau für die Anwendung von tACS gleichzeitig mit funktioneller Magnetresonanztomographie, die das Verständnis der oszillatorischen Hirnfunktion und die Effekte von tACS erhöhen kann.

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Protokolls ist es, Veränderungen der blutsauerstoffabhängigen Aktivität zu messen, die während der transkraniellen elektrischen Stimulation induziert werden. Durch die Kombination von transkranieller Wechselstromstimulation mit funktioneller Magnetresonanz hat imagine das Potenzial, Schlüsselfragen der kognitiven Neurowissenschaften zu beantworten. Ein Hauptvorteil der Kombination dieser Techniken ist die Möglichkeit, die Gehirnfunktion zu messen und gleichzeitig die Neurooszillationen frequenzspezifisch zu manipulieren.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Diagnose und Therapie neurologischer Störungen, die mit abnormaler Synchronisation verbunden sind. Obwohl diese Technik Einblicke in die visuelle Wahrnehmung des Menschen geben kann, kann sie auch auf andere Systeme wie Motorik, Verhalten und Gedächtnis angewendet werden. Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, möglicherweise Schwierigkeiten mit der Komplexität des Aufbaus, der erforderlich ist, um ein rauschfreies Experimentieren zu gewährleisten und synchronisierte Experimente auszulösen.

Wir begannen, uns für TCS zu interessieren, weil wir es als eine Möglichkeit sahen, die Ursache aller Schwingungen der bewussten Wahrnehmung zu untersuchen. Unsere MRT-Technikerin ist Ilona Pfahlert, mit Paule Wunsch als Volontärin. Untersuchen Sie alle Probanden vorab auf Kontraindikationen für MRT-Scans sowie für die transkranielle Wechselstromstimulation.

Wenn der Proband eintrifft, beschreiben Sie die Details des Experiments und holen Sie eine Einverständniserklärung ein. Beginnen Sie mit der Verwendung eines Maßbandes, um den Abstand am Kopf des Probanden zwischen der Nase und dem Inion zu bestimmen. Und dann von Ohr zu Ohr über den Scheitel des Kopfes.

Markieren Sie den Schnittpunkt dieser Längen als C-Z-Position, gemäß dem 10-20 EEG-System. Platzieren Sie nun die EEG-Kappe ohne Elektroden auf dem Kopf des Probanden, wobei C-Z auf die markierte Stelle ausgerichtet ist. Bestimmen und markieren Sie dann die gewünschten Positionen für die Elektroden unter Verwendung der gleichen Platzierung für alle Probanden, um die experimentelle Konsistenz zu gewährleisten.

Reinigen Sie anschließend mit Alkohol und Wattepads das Haar und die Haut auf und um die markierten Stellen auf der Kopfhaut, um Öle und Haarprodukte zu entfernen. Verteilen Sie dann Gel auf die Gummielektroden und drücken Sie jede Elektrode fest auf diese Stellen, um einen vollständigen Kontakt von der Elektrode zum leitfähigen Gel zur Kopfhaut mit minimaler Impedanz zu gewährleisten. Verwenden Sie ein abgeschirmtes LAN-Kabel und die MR-sicheren Kabel, um die Filterboxen mit dem Stimulator und den Gummielektroden zu verbinden.

Schalten Sie dann den Stimulator ein und testen Sie die Impedanz. Liegt sie nicht unter 20 Kiloohm, drücken Sie die Elektroden auf die Kopfhaut. Oder fügen Sie bei Bedarf Elektrodengel hinzu.

Achten Sie darauf, die Abdeckung des Elektrodengels auf ungefähr die gleiche Oberfläche wie die Elektroden zu begrenzen, und entfernen Sie überschüssiges Gel aus dem Bereich. Lassen Sie den Stimulator anschließend einige Sekunden lang Strom abgeben, um das Subjekt mit der sensorischen Erfahrung vertraut zu machen. Fragen Sie sie nach der sensorischen Wahrnehmung während dieses Tests, einschließlich der Frage, ob sie ein Kribbeln spüren und aushalten können sowie das Ausmaß und die Position von Phosphinen während der Stimulation.

Lassen Sie zu diesem Zeitpunkt das Kabel an den Gummielektroden des Probanden eingesteckt, trennen Sie jedoch den Stimulator, das Ersatz-LAN-Kabel und die äußeren und inneren Filterboxen, damit der Proband zum Scanner gelangen kann. Verbinden Sie nun die äußere Filterbox mit dem LAN-Kabel, das durch den Waveguide verläuft, und lassen Sie so wenig Kabel wie möglich außerhalb des Waveguides. Schließen Sie dann das Stimulatorkabel an.

Vergewissern Sie sich außerdem, dass der Stimulator mit dem Triggerausgang des Präsentationscomputers verbunden ist. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass der Proband frei von magnetischen Materialien und bereit für das MRT-Experiment ist, führen Sie ihn in den Scannerraum. Stellen Sie Ohrstöpsel für den Gehörschutz bereit und lassen Sie das Motiv dann auf dem Scannerbett liegen.

Legen Sie das Elektrodenkabel flach in eine Position, auf der der Proband für die Dauer des Experiments bequem liegen kann, und legen Sie dann Kissen um und unter den Kopf. Legen Sie außerdem ein Kissen unter die Beine des Probanden, um den Komfort zu erhöhen und die Bewegung zu reduzieren. Stellen Sie eine Alarmkugel sowie eine MRT-sichere Reaktionstastenbox bereit, die so positioniert ist, dass nur minimale Bewegungen erforderlich sind, um einen Knopf zu drücken.

Befestigen Sie nun die Kopfspule mit einem angebrachten Spiegel, so dass das Motiv die Projektionsfläche in der richtigen Ausrichtung sieht. Befestigen Sie dann vorübergehend das freie Ende des Elektrodenkabels von den Gummielektroden an der Kopfspule, damit es sich beim Bewegen des Bettes nicht verfängt. Bringen Sie das Scannerbett in Position.

Verbinden Sie dann vom hinteren Ende der Scannerbohrung aus das Elektrodenkabel von den Gummielektroden mit der inneren Filterbox, die mit dem LAN-Kabel verbunden ist. Um übermäßige Bewegungen während der Scans zu vermeiden, befestigen Sie die Kabel und den Filterkasten entlang des Scannerbettgeländers rechts von der Bohrung mit Klebeband und Sandsäcken. Setzen Sie dann die Projektorscheibe in das hintere Ende der Scannerbohrung ein.

Testen Sie abschließend erneut die Impedanz am Stimulator, um sicherzustellen, dass alle Kabelverbindungen ordnungsgemäß hergestellt sind, bevor Sie mit dem Experiment beginnen. Testen Sie zunächst, ob der Präsentationscomputer registriert, wenn der Proband die Antworttasten drückt. Nehmen Sie dann ein hochauflösendes T1-gewichtetes anatomisches Bild mit einer isotropen Auflösung von einem Millimeter auf.

Passen Sie nach der Aufnahme den Kontrast und die Fensterstärke dieses Bildes auf niedrige und hohe Extreme an, um visuell Rauschen zu erkennen, das durch die Einrichtung des Stimulators entstehen kann. Setzen Sie diese Überwachung während der Aufnahme der funktionellen Bildgebung fort. Starten Sie nun das Experiment auf dem Präsentationscomputer, so dass es mit dem Scanner-Trigger beginnt, und starten Sie den Stimulator, um auf den Ausgabe-Trigger dieses Computers zu warten.

Starten Sie an dieser Stelle die FMRI-Akquisition. Lassen Sie den Stimulator während des gesamten FMRI-Experiments eingeschaltet und angeschlossen, um Unterschiede im zeitlichen Signal-Rausch-Verhältnis zwischen den Ein- und Ausschaltbedingungen des Stimulators zu vermeiden. Überwachen Sie auch die Anzeige des Stimulators, um sicherzustellen, dass der Strom während der Versuchsläufe zu den gewünschten Zeiten gesendet wird.

Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist, ziehen Sie den inneren Filterkasten aus dem Kabel, das mit den Gummielektroden verbunden ist. Sobald das Motiv aus dem Scanner genommen ist, entfernen Sie die Elektroden und lassen Sie das Motiv frei, um seine Haare zu waschen. Diese Abbildung zeigt die Ergebnisse der Untersuchung der Auswirkungen der Stromstärke von 16 Hertz CZOZTACS auf das fette Signal während der zentralen Querfixierung.

Es werden ereigniskorrelierte Mittelwerte des Signals für statistisch signifikante Cluster dargestellt, wobei die Auswirkungen auf das Signal mit erhöhter Stromstärke zunehmen. Hier sehen wir aktuelle stärkespezifische T-Score-Karten, die die regionale Spezifität von Effekten sowie zunehmende Effekte auf fette Aktivität mit erhöhter Stromstärke veranschaulichen. Diese Abbildung zeigt repräsentative Ergebnisse, die die Frequenzabhängigkeit von TACS-Effekten während einer visuellen Wahrnehmungsaufgabe testen.

Dieses Schema veranschaulicht die Zeitmessung des Experiments mit visueller Darstellung und TACS-Perioden zwischen den Blöcken der zentralen Kreuzfixierung. TACS-Zustands- und Frequenzeffekt-Interaktionskarten sowie Cluster-Post-hoc-Tests zeigen frequenzspezifische Effekte im parietalen Kortex, wobei das TACS um 10 Hertz abnimmt und das Signal um 60 Hertz zunimmt. Diese T-Score-Karten zeigen spezifische Effekte von 60-Hertz-TACS, die sich über den parietalen Kortex hinaus auf einige okzipitale und frontale Regionen erstrecken.

Sobald dieses Experiment gemeistert ist, kann es in nur zwei Stunden durchgeführt werden, abhängig von der Länge des Versuchsdesigns. Bei diesem Verfahren ist es besonders wichtig, sicherzustellen, dass der Stimulator korrekt mit der MRT-Aufnahmezeit synchronisiert ist. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie kombinierte TACS-FMRI-Experimente durchführen.