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Research Article
Kathleen A. Williams1, Yuranny Cabral-Calderin1,3, Carsten Schmidt-Samoa1, Christiane Anne Weinrich1,2, Peter Dechent1, Melanie Wilke1,3,4
1Department of Cognitive Neurology,University Medicine Goettingen, 2Department of Neurology,University Medicine Goettingen, 3German Primate Center,Leibniz Institute for Primate Research, 4DFG Center for Nanoscale Microscopy & Molecular Physiology of the Brain (CNMPB)
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une étude non invasive des oscillations cérébrales, bien que ses effets ne soient pas complètement compris. Cet article décrit une configuration sûre et fiable pour l'application de TACS simultanément avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ce qui peut augmenter la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire et des effets des TACS.
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une investigation non invasive des oscillations cérébrales. Le TACS utilise une stimulation spécifique de la fréquence du cerveau humain par le courant appliqué au cuir chevelu avec des électrodes de surface. La connaissance la plus récente de la technique est basée sur des études comportementales; Ainsi, la combinaison de la méthode avec imagerie cérébrale permet de mieux comprendre les mécanismes des TACS. En raison des artefacts électriques et de susceptibilité, la combinaison de TACS avec l'imagerie cérébrale peut être difficile, cependant, une technique d'imagerie cérébrale qui convient parfaitement pour être appliquée simultanément avec le TACS est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF). Dans notre laboratoire, nous avons combiné les TACS avec des mesures simultanées de fMRI pour montrer que les effets de TACS sont dépendants de l'état, du courant et de la fréquence, et que la modulation de l'activité cérébrale n'est pas limitée à la zone située directement sous les électrodes. Cet article décrit un ensemble sûr et fiablePour appliquer des TACS simultanément avec des études de travail visuel fMRI, qui peuvent prêter à la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire ainsi que les effets des TACS sur le cerveau.
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est une technique de stimulation cérébrale non invasive prometteuse pour étudier les oscillations neuronales et les fonctions cérébrales spécifiques à la fréquence chez les individus en bonne santé, ainsi que pour étudier et moduler les oscillations dans les populations cliniques 1 . En utilisant deux électrodes conductrices ou plus placées sur le cuir chevelu, des ondes sinusoïdales de courant faible (1-2 mA de pointe à crête) sont appliquées au cerveau à une fréquence souhaitée pour interagir avec les oscillations neuronales en cours. Les études TACS ont mesuré des modulations comportementales ou cognitives spécifiques à la fréquence et à la tâche, y compris, mais sans s'y limiter, la fonction motrice 2 , la mémoire de travail 3 , la somatosensation 4 et la perception visuelle 5 , 6 , 7 . L'application d'un courant alternatif de manière non invasive a également entraîné une fonctionnelleAmélioration des patients neurologiques, comme la réduction du tremblement dans la maladie de Parkinson 8 , l'amélioration de la vision dans la neuropathie optique 9 et l'amélioration du taux de relance vocale, sensorielle et motrice après l'AVC 10 . Malgré un nombre croissant d'études utilisant des TACS pour la recherche et la preuve de son potentiel thérapeutique dans des contextes cliniques, les effets de cette technique ne sont pas complètement caractérisés et leurs mécanismes ne sont pas complètement compris.
Les simulations et les études sur les animaux peuvent donner un aperçu des effets de la stimulation à courant alternatif au niveau du réseau cellulaire ou neuronal dans des conditions contrôlées 11 , 12 , mais compte tenu de l'état de dépendance des techniques de stimulation efficaces 13 , 14 , ces études ne révèlent pas l'image entière . Combinaison de TACS avec des techniques de neuroimagerieComme l'électroencéphalographie (EEG) 15 , 16 , 17 , la magnétoencephalographie (MEG) 18 , 19 , 20 , ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 peuvent informer sur la modulation au niveau des systèmes de la fonction cérébrale. Cependant, chaque combinaison comporte des défis technologiques, principalement en raison des artefacts induits par stimulation dans la mesure des fréquences d'intérêt 15 . Bien que la résolution temporelle de l'IRMF ne puisse pas correspondre aux mesures EEG ou MEG, sa couverture spatiale et sa résolution dans les régions corticales et sous-corticales du cerveau sont supérieures.
Récemment, dans une étude tACS-fMRI combinée, nous avons montré que les effets des tACS sur le niveau d'oxygénation du sang dLe signal épuisé (BOLD) mesuré avec l'IRFF est à la fois spécifique à la fréquence et à la tâche, et que la stimulation n'exerce pas nécessairement son plus grand effet directement sous les électrodes, mais dans des régions plus éloignées des électrodes 22 . Dans une étude suivante, nous avons étudié l'effet de la position et de la fréquence de l'électrode TACS sur la fonction du réseau en utilisant l'amplitude des fluctuations de basse fréquence et de la connectivité fonctionnelle de l'état de repos, y compris l'utilisation de graines de corrélation des régions les plus directement stimulées, dérivées de la densité de courant Des simulations. Plus particulièrement dans cette étude, la stimulation alpha (10 Hz) et gamma (40 Hz) a souvent suscité des effets opposés dans la connectivité réseau ou sur la modulation régionale 23 . De plus, le réseau d'état de repos qui a été le plus affecté était le réseau de contrôle fronto-pariétal gauche. Ces études mettent en évidence le potentiel d'utilisation de l'IRFF pour déterminer les paramètres optimaux pour une st efficace et contrôléeMulation. En outre, ils contribuent à prouver que, en dehors des paramètres contrôlés, tels que l'état et le moment de la tâche, la fréquence de stimulation et les positions des électrodes, il existe des facteurs spécifiques à la matière qui influent sur le succès des TACS. Des exemples de caractéristiques de sujet qui se traduisent en variables incontrôlables dans l'optimisation des paramètres de stimulation sont la connectivité fonctionnelle intrinsèque, la fréquence de pointe de l'oscillation endogène ( par exemple , la fréquence alpha individuelle) et l'épaisseur du crâne et de la peau 25 . Compte tenu de la littérature actuelle relative aux TACS, d'autres études combinant des TACS avec des mesures neurales telles que la neuroimagerie sont nécessaires pour établir des procédures complètes pour des techniques efficaces de stimulation cérébrale.
Nous décrivons ici une configuration sûre et fiable pour les expériences appliquant des tACS simultanément avec l'IRMF d'une tâche visuelle, en mettant l'accent sur les aspects de la configuration et de l'exécution qui produisent un TAC synchronisé avec succèsS avec l'acquisition sans artifices de données fMRI.
Effectuer toutes les expériences conformément aux directives du comité d'éthique institutionnelle. Pour toutes les études mentionnées dans ce manuscrit, toutes les procédures ont été effectuées selon la déclaration d'Helsinki et approuvées par le Comité d'éthique local du Centre médical universitaire de Göttingen.
1. Estimation et configuration de l'ordinateur avant l'expérience
2. Sujet Arrivée et préparation
3. Numérisation et expérience RM
4. Conclusion de l'expérience
La figure 2 et la figure 3 montrent les images représentatives acquises pour les tests de bruit de l'équipement dans un sujet fantôme et chez un sujet humain, respectivement. Dans chaque rangée, la figure 2 et la figure 3 montrent des tranches axiales représentatives à partir d'un volume acquis ou d'une carte calculée, étiquetés en conséquence au-dessus de la rangée. L'image la plus à droite sur chaque rangée est une représentation sagittale du volume correspondant ou de la carte calculée, indiquant des emplacements en tranches axiales avec des lignes bleues. Mis à part la première rangée, qui illustre le placement des électrodes en blanc, le volume est superposé sur une image pondérée T1 dans chaque figure. Notez qu'il n'y a pas de distorsion ou de décrochage des signaux des électrodes dans les images pondérées T1. La deuxième rangée de la figure 2 montre les données représentatives d'IRM fonctionnelles acquises avec la configuration du TACS en place et tournéessur. Dans le fantôme de la figure 2 , notez qu'il y a un décalage de signal et une distorsion due aux électrodes, mais la rangée 2 de la figure 3 montre que ces distorsions ne s'étendent pas au-delà du cuir chevelu chez un sujet. Les lignes trois et quatre de la Figure 2 montrent les mesures de bruit dans le volume, qui sont acquises en utilisant les mêmes paramètres que les données fMRI, mais sans impulsion d'excitation RF. Les images montrent le niveau de bruit dans la salle du scanner et du matériel MR pendant la numérisation. La ligne trois est une mesure du bruit avec TACS désactivé, et la ligne quatre est une avec le TACS activé. Dans la cinquième et sixième rangées de la figure 2 , les cartes tSNR pour les opérations fonctionnelles avec la configuration TACS et le stimulateur sont activées et désactivées respectivement. Les cartes TSNR calculées à partir des données acquises dans le sujet humain apparaissent à la figure 3, les lignes trois, avec TACS off et quatre avec TACS. Remarquez qu'il n'y a pas de différence visibleEn intensité lors de la comparaison entre les conditions de stimulation. Comme nous l'avons démontré dans une étude antérieure, l'équipement TACS produit environ 5% de baisse de tSNR dans les images par rapport à celles acquises sans la configuration des tACS, mais le tSNR devrait rester stable par les conditions de stimulation et de désactivation 22 .
La figure 4 représente une série d'images qui démontre le décalage du signal qui peut se produire lorsque des électrodes non compatibles avec MR sont utilisées. Les tranches d'un volume d'IRMV acquis d'un sujet avec des électrodes qui peuvent avoir des contaminations métalliques montrent le décalage du signal au-dessous de l'électrode placée à peu près au cortex moteur primaire, comme indiqué par les cercles rouges.
La figure 5 montre les résultats d'une expérience testant les effets de la résistance actuelle des tACS Cz-Oz de 16 Hz sur le signal BOLD chez des sujets dont seul t Ask est la fixation croisée centrale. Tout au long de l'expérience, des périodes de 12 secondes de TACS ont été entrelacées avec des périodes de non-stimulation variant de 24 à 32 secondes. Dans un ordre pseudorandomisé, le tACS a été appliqué avec une résistance de courant différente (500 μA, 750 μA, 1000 μA, 1.500 μA) dans chacune des quatre séries. La figure 5A montre les moyennes liées à l'événement du signal BOLD pour les grappes statistiquement significatives, avec un effet croissant sur le signal BOLD avec une intensité de courant accrue. En outre, la figure 5B montre des cartes T-score spécifiques à la résistance actuelle illustrant la spécificité régionale des effets ainsi que l'augmentation de l'effet spatial avec une intensité de courant accrue. Il est également intéressant de noter que l'activité BOLD dans les régions frontales a été modifiée de manière significative, montrant que les modulations n'étaient pas toujours directement au-dessous des électrodes. Pour plus de détails, consultez Cabral-Calderin et ses collègues 22 .
E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> La figure 6 montre les résultats représentatifs d'une expérience testant la dépendance en fréquence des effets de TACS pendant une tâche de perception visuelle. Les sujets ont signalé la direction perçue d'une sphère rotative bistable. En même temps, le tACS a été appliqué avec des électrodes placées à Cz et Oz à l'une des trois fréquences de stimulation (10 Hz, 60 Hz ou 80 Hz) dans chacune des trois séances distinctes. La figure 6A illustre le temps d'expérience avec la présentation visuelle et les périodes TACS entre Blocs de fixation de la croix centrale. Les cartes d'interaction des effets de fréquence et de fréquence des TACS et les tests post-hoc de grappes montrent des effets spécifiques de la fréquence dans le cortex pariétal, avec un déclenchement de TACS de 10 Hz et un signal d'augmentation de 60 Hz ( Figure 6B ). La figure 6C montre le score T Les cartes des effets spécifiques des tACS de 60 Hz s'étendant au-delà du cortex pariétal pour inclure un occipiRégions frontales et frontales. Pour des détails sur l'expérience et l'analyse, se référer à Cabral-Calderin, et al. 22 .
Figure 1: Configuration TACS dans le Scanner. ( A ) Configuration de TACS avec tous les éléments nécessaires. Le stimulateur et les câbles sont connectés à l'extérieur de la pièce blindée MR. On y trouve également le cap EEG, le ruban à mesurer et le gel conducteur utilisé pour le placement des électrodes. ( B ) Boîte de filtre extérieur et stimulateur placé à l'extérieur de la chambre du scanner. Le câble LAN (non visible dans la figure) provient de la chambre du scanner à travers le tube du guide d'ondes RF et se connecte à la boîte de filtre extérieure, avec le plus petit câble LAN exposé à l'extérieur de la chambre du scanner. Le stimulateur doit être connecté à la boîte de filtre extérieure ainsi qu'au câble de sortie de déclenchement de l'ordinateur de présentation. ( C )Environnement du scanner avec configuration expérimentale. Déploiement de la configuration des TACS, y compris l'ordinateur de présentation, l'ordinateur du scanner et la sortie du déclencheur, et le projecteur. ( D ) Positionnement du sujet pour l'expérience. Les éléments importants incluent les oreillers, le placement des câbles, le miroir de visionnement et la bobine de tête. La boîte de filtre est placée sur le garde-boue du scanner comme exemple de placement à l'intérieur de l'alésage. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2: Évaluation de la qualité Images RM obtenues d'un fantôme. Ligne 1: tranches axiales anatomiques T1 à haute résolution avec leurs positions indiquées par des lignes bleues sur une tranche sagittale à droite (également vu dans chaque rangée suivante). Sur le plan sagittal, les positions des électrodes sont illustrées Noté en blanc. Rangée 2: sections d'image écho-planaires pondérées T2 *, avec des flèches magenta indiquant le décrochage du signal et la distorsion due aux électrodes et / ou au gel des électrodes. Sur le plan sagittal, le positionnement du volume correspondant est affiché comme une superposition (également vu dans chaque ligne suivante). Ligne 3: tranches d'image de bruit acquises avec des paramètres expérimentaux fMRI et pas d'impulsion d'excitation RF alors que la configuration tACS est en place et activée mais pas stimulante. Ligne 4: image d'excitation sans RF obtenue avec la configuration de TACS en place et stimulateur activé et stimulant à 16 Hz. Ligne 5: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration TACS en place et activée, mais pas stimulante. Ligne 6: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et stimulant à 16 Hz. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Figure 3: Évaluation de la qualité Images RM obtenues d'un sujet. Ligne 1: tranches axiales d'image anatomique haute résolution avec leurs positions indiquées par des lignes bleues sur une tranche sagittale à droite (comme on le voit dans chaque rangée). Les positions de l'électrode sont illustrées en blanc sur la vue sagittale. Les tranches d'image écho-planaire pondérées en ligne 2: T2 * ne montrent aucun décalage de signal dû à des électrodes et / ou un gel d'électrode. Sur le plan sagittal, le positionnement du volume correspondant est affiché comme une superposition (également vu dans chaque ligne suivante). Ligne 3: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et activée, mais pas stimulante. Ligne 4: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et stimulant à 16 Hz. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5: Effet de la force actuelle sur la modulation TACS du signal BOLD. ( A ) Cartes F-score montrant l'effet principal de la force actuelle sur l'effet des TACS de 16 Hz. Un effet principal significatif de la résistance actuelle dans un rANOVA à sens unique [dans Facteur: la résistance du courant (500, 750, 1 000, 1 500 μA)] est apparente. Les parcelles montrent le temps moyen moyen du signal BOLD pour les périodes de TACS pour chaque résistance actuelle. Les régions ombragées indiquent une erreur standard de la moyenne entre les sujets. MedialFG = gyrus frontal médian, IPS = sillon intrapariétale, IFG = gyrus frontal inférieur, PrC = gyrus précentrique, L = gauche, R = droite, * cluster non corrigé pour des comparaisons multiples. ( B ) Les cartes de T-score montrant les activités d'activité BOLD pendant les TACS de 16 Hz pour chaque force actuelle. Aucun effet significatif n'a été trouvé avec des TACS de 500 μA. LH = hémisphère gauche; RH = hémisphère droit. Cette image a été modifiée de Cabral-Calderin et al. 29 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Figure 6: Effet du tACS sur le signal BOLD dans une tâche de perception visuelle. ( A ) Représentation schématique de l'expérience. Le stimulus visuel et les TACS ont été appliqués dans une conception de blocs, avec des blocs de TACS de 30 secondes survenant au cours de blocs de 120 sec de présentation de stimulus visuel. Chaque fréquence a été testée dans une autre session. SfM = structure-de-mouvement. ( B ) Effet d'interaction de fréquence et de condition de TACS. Les cartes statistiques F montrant une signification dans le rANOVA bidirectionnel [dans les facteurs: tACS (activé, désactivé), fréquence (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] et des estimations bêta pour deux grappes représentatives dans le gyrus post-central. Les lignes continues et les astérisques noirs marquent des différences significatives pour les comparaisons post-hoc pour les effets d'interaction on-off TACS de 10 Hz contre 60 Hz et 10 Hz contre 80 Hz, et les astérisques rouges impliquent une différence significative pour les tests TACS versus off post-hoc. PoC = germe postcentral, IPS = sillon intrapariétal. ( C ) T-score Carte de 60 Hz TACS. Différences significatives comparant le TACS de 60 Hz contre le désactivé. Cette image a été réimprimée de Cabral-Calderin et al. 29 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les auteurs n'ont rien à dévoiler.
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une étude non invasive des oscillations cérébrales, bien que ses effets ne soient pas complètement compris. Cet article décrit une configuration sûre et fiable pour l'application de TACS simultanément avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ce qui peut augmenter la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire et des effets des TACS.
Nous remercions Ilona Pfahlert et Britta Perl pour une assistance technique lors d'expériences d'imagerie fonctionnelle et Severin Heumüller pour un excellent support informatique. Ce travail a été soutenu par la Fondation Herman et Lilly Schilling et le Centre pour la microscopie à l'échelle nanométrique et la physiologie moléculaire du cerveau (CNMPB).
| Le | |||
| stimulateur DC MR | NEUROConn, Ilmenau, Allemagne | comprend : un boîtier de filtre intérieur, un boîtier de filtre externe, des câbles d’électrode et de stimulateur sans danger pour l’IRM (1 chacun), un stimulateur, 2 électrodes de surface et un câble LAN blindé ; REMARQUE : Ce manuscrit décrit la configuration de l’IRMf tACS-fMR avec le stimulateur MR-safe de NeuroConn, mais un tel stimulateur d’un autre fabricant serait acceptable, avec des adaptations apportées en fonction des spécifications du fabricant. | |
| Scanner 3 tesla Tim Trio MR | Siemens, Erlangen, Allemagne | ||
| par ordinateur | |||
| (par exemple ;, Matlab) | The Mathworks, Natick, États-Unis | ||
| à câble | LAN blindé | ||
| InFocus Corporation, Wilsonville, États-Unis | IN-5108 | ||
| Ten20 Electrode Paste | Weaver and Co., Aurora, États-Unis | ||
| Casque EEG - EASYCAP Système à 32 canaux | Brain Products GmbH, Allemagne | ||
| ruban à mesurer | |||
| marqueur | |||
| oreillers | |||
| boîte de réponse de bouton | Current Designs, Philadelphie, États-Unis | ||
| alcool isopropylique | |||
| tampons | de coton | ||
| ruban | |||
| MR-safe sacs de sable | Siemens, Erlangen, Allemagne | ||
| Miroirs MR-safe | Siemens, Erlangen, Allemagne | ||
| L’écran | MR-safe | peut être construit dans un atelier d’usinage local pour s’adapter aux paramètres spécifiques au site | |
| Bouchons d’oreille E-A-Rsoft | 3M, Bracknell, Royaume-Uni |