Transcraneal directa Estimulación actual y Resonancia Magnética Funcional simultánea

Summary

Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva. Se ha utilizado con éxito en la investigación básica y entornos clínicos para modular la función cerebral en los seres humanos. En este artículo se describe la implementación del tDCS y la resonancia magnética funcional simultánea (fMRI), para investigar las bases neuronales de los efectos tDCS.

Abstract

Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva que utiliza corrientes eléctricas débiles administrados al cuero cabelludo para manipular la excitabilidad cortical y, en consecuencia, el comportamiento y la función cerebral. En la última década, numerosos estudios se han ocupado de los efectos a corto plazo ya largo plazo de la tDCS sobre diferentes medidas de rendimiento de comportamiento durante las tareas motoras y cognitivas, tanto en individuos sanos y en un número de diferentes poblaciones de pacientes. Hasta ahora, sin embargo, se sabe poco sobre las bases neurales de la tDCS-acción en el ser humano con respecto a las redes del cerebro a gran escala. Este problema puede abordarse mediante la combinación de tDCS con técnicas de imágenes cerebrales funcionales como las imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) o la electroencefalografía (EEG).

En particular, la fMRI es la técnica de imagen cerebral más ampliamente utilizado para investigar los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras. Applicatiel de tDCS durante fMRI permite el análisis de los mecanismos neurales que subyacen efectos tDCS comportamiento con alta resolución espacial a través de todo el cerebro. Estudios recientes utilizando esta técnica identifican los cambios inducidos por la estimulación de la actividad funcional del cerebro relacionada con las tareas en el lugar de estimulación y también en las regiones del cerebro más distantes, lo que se asoció con una mejoría del comportamiento. Además, tDCS administrados durante el estado de reposo fMRI permitieron la identificación de cambios generalizados en la conectividad funcional de todo el cerebro.

Futuros estudios que utilizan este protocolo combinado deben producir nuevos conocimientos sobre los mecanismos de acción tDCS en la salud y la enfermedad y nuevas opciones para la aplicación más selectiva de tDCS en la investigación y el ámbito clínico. El presente manuscrito describe esta nueva técnica de una manera paso a paso, con un enfoque en los aspectos técnicos de tDCS administrados durante fMRI.

Introduction

Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es un método no invasivo de la estimulación cerebral cortical en el que el funcionamiento es modulada por medio de una corriente eléctrica débil (típicamente 1-2 mA) proyectada entre dos electrodos del cuero cabelludo-fijada. Fisiológicamente, TDCS induce un cambio de polaridad dependiente en neuronal potencial de membrana en reposo (RMP) dentro de la región cortical objetivo a través de la manipulación de los canales de sodio y de calcio, promoviendo de este modo cambios en la excitabilidad cortical ^1. Específicamente, la estimulación anódica (atDCS) se ha demostrado que aumenta la actividad cortical a través de la despolarización neuronal de RMP, mientras que la estimulación catódica (ctDCS) reduce la excitabilidad cortical ^2. En comparación con otros tipos de estimulación cerebral (por ejemplo, la estimulación magnética transcraneal) de seguridad ha sido bien establecido y hasta el momento no tiene efectos secundarios graves se han reportado incluso en poblaciones vulnerables ^{3, 4.} Además, al menos por lower intensidades de estimulación (hasta 1 mA), un placebo eficaz ("sham") la condición de estimulación existe ^5, permitiendo cegamiento eficaz de los participantes y los investigadores a las condiciones de estimulación, lo que hace tDCS una herramienta atractiva en entornos clínicos y experimentales de investigación.

Numerosos estudios hasta la fecha han demostrado que estos cambios en la excitabilidad cortical puede dar lugar a modulaciones de comportamiento. En el sistema de motor, los efectos dependientes de polaridad consistentes se han reportado ^{1, 6} para ambos atDCS y ctDCS. En los estudios cognitivos, la mayoría de los estudios que emplearon atDCS para mejorar las funciones cognitivas informó de efectos beneficiosos sobre el rendimiento ^7, mientras que ctDCS con frecuencia no dieron como resultado el procesamiento cognitivo deterioro. El último puede ser explicado por la mayor redundancia de recursos de procesamiento neurales que subyacen la cognición ^6. La mayoría de los estudios han empleado tDCS diseños cross-over para estudiarlos efectos inmediatos de la estimulación, que duran más que la terminación de la corriente sólo por períodos cortos de tiempo ^1. Sin embargo, se ha sugerido que repite impactos de estimulación sobre la síntesis de proteínas, es decir, el mecanismo de adquisición de la habilidad subyacente neuronal ^8. De hecho, el motor o el éxito entrenamiento cognitivo pueden aumentar cuando se combinan con las repetidas sesiones tDCS y estabilidad a largo plazo de estas mejoras se han notificado a durar hasta varios meses en adultos sanos ^{de 8-10.} Tales resultados también han despertado un interés en el uso de TDCS en contextos clínicos y los datos preliminares sugieren que también puede ser útil como un enfoque de tratamiento primario o adyuvante en diversas poblaciones clínicas ^3. Sin embargo, mientras que un número relativamente grande de estudios aborda los efectos neurofisiológicos de tDCS en el sistema motor, se sabe poco sobre los mecanismos neurales subyacentes de efectos tDCS sobre las funciones cerebrales cognitivas en la salud y la enfermedad.Una mejor comprensión del modo de acción de tDCS es un requisito previo necesario para aplicaciones más específicas de tDCS en la investigación y el ámbito clínico.

Este problema puede abordarse mediante la combinación de tDCS con técnicas de imágenes cerebrales funcionales como la electroencefalografía (EEG) o la resonancia magnética funcional (fMRI). La mayoría de los estudios que investigan los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras han optado por emplear fMRI ^11. En particular, la fMRI es la técnica de imagen cerebral más ampliamente utilizado para investigar los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras ^11. Por otra parte, cuando se combina con aplicación simultánea de TDCS, fMRI permite el examen de los mecanismos neurales que subyacen a los efectos de comportamiento tDCS con mayor resolución espacial a través de todo el cerebro en comparación con EEG (para las descripciones recientes de combinado TDCS-EEG ver Schestatsky et al. ^12). El presente manuscrito describe ªuso e combinada de tDCS en simultáneo fMRI. Esta nueva técnica se ha utilizado con éxito para estudiar los mecanismos neurales que subyacen tDCS inducida por modulaciones de las funciones motoras y cognitivas ^13-19. En el futuro, este protocolo combinado producirá nuevos conocimientos sobre los mecanismos de acción tDCS en salud y enfermedad. Comprender el impacto de tDCS en redes neuronales a gran escala según la evaluación de esta técnica puede sentar las bases para una aplicación más específica de tDCS en la investigación y el ámbito clínico.

El manuscrito se centrará en las diferencias entre tDCS experimentos de comportamiento y el uso combinado de tDCS en simultáneo fMRI, con un especial énfasis en los requisitos de hardware, implementación de la técnica y las consideraciones de seguridad. A modo de ejemplo, una sola sesión de tDCS administrados a la circunvolución frontal inferior izquierda (IFG) durante la tarea ausente en reposo por el estado (RS) y de resonancia magnética funcional durante una tarea de lenguaje ^{14, 15} wenfermo puede describir, aunque muchas otras aplicaciones son posibles ^{16, 19.} Los detalles del diseño experimental, características de los participantes y los procedimientos de análisis de datos de resonancia magnética funcional han sido descritos en detalle en las publicaciones originales ^14,15 y están más allá del alcance de la presente manuscrito. Por otra parte, en estos estudios, una resonancia magnética funcional adicional scan que involucren farsa tDCS se adquirió y se compara con los resultados de la sesión atDCS (ver "Los resultados representativos" para más detalles). Esta sesión fue idéntica a la descrita en el presente manuscrito, excepto que la estimulación se interrumpió antes del inicio de la sesión de exploración (véase la Figura 1 para más detalles). El presente procedimiento se ha aplicado con éxito en un escáner 3-Tesla MRI Siemens Trio en el Centro de Berlín para Advanced Imaging (Charité de la Universidad de Medicina de Berlín, Alemania), y debe ser aplicable a otros escáneres, así ¹³ en principio.

Protocol

1. Contraindicaciones y Consideraciones Especiales

1. Meticulosamente el filtro de los participantes para contraindicación de resonancia magnética (por ejemplo, marcapasos, claustrofobia, etc) y excluir si es necesario. Adquirir cuestionarios estándar en instituciones clínicas o centros de investigación que operan los equipos de RM. Siga siempre los procedimientos de seguridad estándar al entrar en la sala del escáner.
2. Meticulosamente el filtro de los participantes para contraindicación para tDCS. Estos pueden superponerse con contraindicaciones para la RM. Ver Villamar et al. ²⁰ para ver un ejemplo.
3. Consulte con el centro de operación en materia de seguridad local y las regulaciones éticas y obtener los permisos necesarios. Prueba para posibles artefactos de imagen inducidos por el equipo actual o TDCS estimulación antes del comienzo del experimento real (por ejemplo, probando el impacto de TDCS en relación de señal a ruido ^{17, 18).}

2. FMConfiguración de RI, Diseño Experimental y Materiales

Nota: El uso de tDCS en el interior de un escáner de resonancia magnética se necesita un equipo especial. En particular, específica se requieren cables compatibles con MRI, cajas de filtros, electrodos y correas para sujetar los electrodos a la cabeza de los sujetos. Figura 2 ilustra (A) equipo estándar tDCS y (B) componentes para su uso con la RM. Los últimos componentes son necesarios para evitar la posibilidad de la calefacción debajo de los electrodos debido a los pulsos de radiofrecuencia emitidas durante la RMN. Además, los artefactos de imagen de alta frecuencia pueden ser inducidas por el dispositivo TDCS. Ambos se pueden prevenir mediante el uso de cajas de filtros colocados fuera y dentro de la sala del escáner, cables equipados con resistencias y electrodos de goma conductiva compatibles con la RM dedicados.

1. Realice generales experimental y secuencias para el experimento fMRI. Ambos dependen de los objetivos del estudio. Nota: el protocolo a continuación es especiFIC para este experimento, pero puede ser revisada para aplicar a un número de diferentes situaciones experimentales.
2. Use una computadora de escritorio con el software de presentación de estímulo instalada para una tarea lenguaje que implica la presentación visual de las categorías semánticas dentro del escáner. Presentar estos estímulos en una pantalla en el interior del escáner a través de un proyector conectado a la computadora y un sistema de espejos.
3. Utilice un micrófono compatible con resonancia magnética para la transmisión de las respuestas verbales explícitas. Adquirir dos secuencias funcionales durante tDCS: a-tarea ausente RS-secuencia de cinco minutos y una tarea palabra generación semántica manifiesta. Nota: Los detalles adicionales de la puesta en marcha experimental, y secuencias de estímulos de resonancia magnética funcional han sido previamente descrito en detalle ^{14, 15} y la Figura 1 ilustra el experimento.
4. Para configurar el dispositivo, programa TDCS el dispositivo para entregar una corriente constante directa de 1 mA durante 20 min para cubrir toda la duración de la exploración funcional de doss, incluyendo escapadas y tiempo para instrucciones entre las exploraciones ^{14, 15.} Asegúrese de asegurarse de que el estimulador está suficientemente cargada; de lo contrario, se puede cerrar durante el experimento.
5. Asegúrese de que todos los materiales necesarios están disponibles (Figura 2).

3. Configuración tDCS Exterior e interior del escáner (Ver Figura 3 para un resumen esquemático)

1. Coloque la caja de filtro exterior cerca del filtro de radio-frecuencia (RF) del tubo (es decir, el punto de penetración en el escudo de frecuencia de radio del escáner de resonancia magnética que se puede utilizar para insertar los cables desde fuera del escáner). Conecte estimulador con la caja externa mediante cable estimulador. Caja del filtro interior y exterior no debe mezclarse para arriba. Nota: La figura 4A ilustra los tDCS set-up fuera del escáner. La caja exterior está claramente marcada en la figura 4B.
2. Mida la longitud del cable requerido para conectar la posadaer con caja exterior usando cable de la caja (ver siguiente punto con respecto al posicionamiento del cable en la sala del escáner). Inserte el cable de la caja en el tubo de RF desde el exterior del escáner y conectar con la caja de filtro exterior (Figura 4).
3. Coloque la caja del filtro interno en el interior del extremo posterior del orificio del escáner (Figura 5); utilice cinta adhesiva para mantenerlo en su lugar. Conecte el cable de la caja con la caja de filtro interior y evitar los bucles en los cables ya que pueden causar calentamiento por RF. Nota: El cable debe estar alineada con las paredes de la sala del escáner y se fija con cinta adhesiva (Figura 3).

4. Participante Preparación y posición del participante en Escáner

1. Al igual que con tDCS convencionales set-ups, inspeccione la piel del participante para encontrar lesiones pre-existentes, mueva pelo, la piel limpia con alcohol para eliminar la laca de pelo, loción corporal, etc. para mejorar la conductividad de la piel debajo de los electrodos ^{12, 21.}
2. Remojar los bolsillos de esponja con solución salina e insertar electrodos compatibles con MRI en los bolsillos (ver DaSilva ²¹ para consideraciones generales de la preparación de los participantes y la colocación de los electrodos).
3. Posiciones de los electrodos Marcar en las cabezas de los sujetos utilizando una pluma que no deja huellas ferromagnéticos (por ejemplo, no usan delineador de ojos). Determinar la posición de destino para ánodo usando 10-20 sistema EEG (en este caso la izquierda IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Para ello, localizar (a) la intersección de T3-F3 y F7-C3 y (b) el punto medio entre F7-F3. La posición de destino está en el centro de una línea de puntos de conexión (A) y (B). Lugar de cátodo (10 x 10 cm ²⁾ sobre la posición supraorbital derecha (para los detalles de la colocación de electrodos ver Meinzer et al. ^{14, 15).} Conecte los electrodos a la cabeza usando la banda de goma.
4. Guía del participante detrás del escáner y conecte el cable del electrodo con la filt interiorcuadro er. Encienda el estimulador y la impedancia de prueba presionando la parte superior derecha y el botón inferior izquierda del estimulador simultáneamente. Si se alcanzan los límites de impedancia, a continuación, el estimulador se detendrá automáticamente. Si esto ocurre, compruebe si los electrodos están en contacto con el cuero cabelludo, la piel limpia de nuevo o aplicar más solución salina si las esponjas se han convertido en demasiado seco, y luego comprobar si hay algún cable roto. Nota: La impedancia es típicamente más altos en comparación con los montajes convencionales debido a cables adicionales y cajas de filtro entre el estimulador y los electrodos.
5. Guía del Participante en la sala del escáner (después de una verificación final). Coloque el participante en el pórtico del escáner y asegúrese de que los electrodos se encuentran todavía en la posición correcta. Cierre la cabeza de bobina. El cable del electrodo debe ser alimentado a través de la parte inferior izquierda de la bobina de la cabeza (ver Figura 6) o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.
6. Mueva participante en el agujero del escáner. Asegúrese de que el cable hagaes no ponerse en el pórtico y romper (véase la Figura 6 para una posible posición segura del cable durante esta etapa). Cuando el participante haya alcanzado la posición final dentro del escáner, alcanzar para el cable del electrodo desde el extremo posterior del escáner y conectarlo a la caja del filtro interior. Entregar botón de emergencia para los participantes y salir de la sala del escáner.

5. Comienzo de la estimulación

1. Utilice el intercomunicador escáner para informar al participante sobre el inicio de sesión de exploración. Inicie el escaneado localizador estructural (para determinar la posición de la cabeza del participante en el escáner y permitir una planificación de exploraciones funcionales y estructurales posteriores) utilizando la consola de exploración. Inspeccione exploración localizador de artefactos de alta frecuencia: Haga doble clic en la exploración del localizador después del final del periodo de adquisición y ajustar el contraste (por Siemens Trio manteniendo pulsado el botón derecho del ratón y el ratón a izquierda y derecha en movimiento, por ejemplo, véase las figuras 7Ay 7B).
2. Utilice el intercomunicador escáner para comunicarse con el tema de que la estimulación se iniciará y que él / ella puede sentir una sensación de hormigueo en el cuero cabelludo por un corto tiempo. Repita las instrucciones para la primera exploración funcional. En este ejemplo, instruir a los participantes a mantener los ojos cerrados durante la duración de la exploración (5 min), moverse lo menos posible y no pensar en nada en particular. Asegúrese de que el proyector se apaga (la pantalla dentro de la perforación escáner es negro) para evitar la estimulación visual durante la RS-scan.
3. Iniciar la estimulación manualmente aproximadamente 1-2 min antes del inicio de la primera exploración funcional (RS-Scan). Utilice la consola del escáner para cargar RS-secuencia. Haga doble clic en RS-secuencia para abrir el campo de visión (FOV), cargo para cubrir todo el cerebro y alinearse aproximadamente con la comisura anterior-posterior ajuste. Inicie el primer análisis (utilizando el botón de escaneo START).
4. Monitorear la impedancia durante todo el experimento. Nota: Si el experiment se lleva a cabo en un modo de doble ciego (participante y el investigador están cegados a la estimulación), un segundo investigador puede ser necesario supervisar la impedancia.
5. Mientras que el RS-secuencia se está ejecutando, cargar segunda secuencia de imágenes funcionales (por tarea idioma posterior) y ajustar FOV, utilizando la consola de escáner que el anterior, para reducir el tiempo requerido entre búsquedas. Después del final de la RS-secuencia, gire en el proyector para permitir la presentación visual de los estímulos experimentales durante una tarea de idioma. Haga doble clic en el icono de software de presentación y modelo de lenguaje de carga. Utilice el intercomunicador escáner que repita las instrucciones para fMRI paradigma relacionado con la tarea y comenzar con la tarea ^{14, 15.}
6. Después de que el final del experimento de estimulación / fMRI, continuar con las exploraciones estructurales planeadas. No desconecte los cables del electrodo hasta el final de la sesión de exploración.
7. Al final del experimento, desconecte el cable del electrodo de la caja de filtro interior antes de trasladarse fuera de la participantede diámetro interior del escáner. Retire participante desde el escáner, desconecte la bobina cabeza y pedir al participante que se siente hacia arriba y retire cuidadosamente los electrodos.

Results

Funcional RM es la técnica de imagen funcional más utilizado para hacer frente a los mecanismos neurales subyacentes de las funciones motoras o cognitivas. Más recientemente, fMRI también se ha utilizado para evaluar los efectos tDCS en la actividad cortical y la conectividad. Sin embargo, la mayoría de estos estudios tDCS administrados fuera del escáner y evaluaron los efectos de la estimulación fuera de línea (es decir, administrado tDCS antes de escanear ^{22, 23).} Sólo unos pocos estudios hasta la ...

Discussion

La aplicación combinada de tDCS con simultánea fMRI ha mostrado potencial para la aclaración de las bases neurales de los efectos inmediatos de la estimulación a través de todo el cerebro con una alta resolución espacial ^13-19. En el futuro, este tipo de estudios pueden ser complementados por estudios combinados EEG-tDCS, para explotar la resolución temporal superior de esta última técnica. Además, intrascanner estimulación permite la verificación de la correcta colocación de los electrodos en el cuero cabell...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Alemania	21
Extensión de hardware DC-Stimulator MR (2 electrodos de goma compatibles con resonancia magnética, cable de electrodo y caja de filtro y caja de filtro interior; caja de filtro exterior y cable estimulador)	NeuroConn, Illmenau, Alemania
2 Almohadillas de esponja para electrodos de goma (7 cm x 5 cm y 10 cm x 10 cm)	NeuroConn, Illmenau, Alemania
Banda
Solución
Cinta			Para determinar la posición del electrodo utilizando el sistema EEG 10-20 Pluma
			Se utiliza durante la colocación del electrodo