Transcranial זרם ישר גירוי והדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית בו זמנית

Summary

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחי לא פולשנית. זה בהצלחה כבר בשימוש במחקר בסיסי והגדרות קליניות לווסת את תפקוד מוח בבני אדם. מאמר זה מתאר את היישום של tDCS ודימות תהודה מגנטית תפקודיות בו זמנית (fMRI), כדי לחקור את הבסיס העצבי של השפעות tDCS.

Abstract

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחית לא פולשנית שעושה שימוש בזרמים חשמליים חלשים המנוהלים על הקרקפת כדי לתפעל רגישות קליפת המוח וכתוצאה מכך, התנהגות ותפקוד המוח. בעשור האחרון, מחקרים רבים התייחסו השפעות קצר טווח וארוך טווח של tDCS על מדדים שונים של ביצועים התנהגותיים במהלך משימות מוטוריות וקוגניטיבי, הן באנשים בריאים והן במספר האוכלוסיות חולים שונות. עד כה, עם זאת, מעט מאוד ידוע על היסודות העצביים של tDCS פעולה בבני אדם בכל קשורים לרשתות מוח בקנה מידה גדולה. בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) או electroencephalography (EEG).

בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית. Applicatiעל של tDCS במהלך fMRI מאפשר ניתוח של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה מרחבית גבוהה על פני כל המוח. מחקרים שנעשה לאחרונה שימוש בטכניקה זו זיהו שינויי גירוי הנגרמים בפעילות מוח תפקודית הקשורות למשימות באתר הגירוי וגם באזורים במוח רחוקים יותר, שהיו קשורים עם שיפור התנהגותי. בנוסף, tDCS מנוהל במהלך-נחה המדינה fMRI אפשר זיהוי של שינויים נרחבים בקישוריות תפקודית המוח כולו.

מחקרים עתידיים תוך שימוש בפרוטוקול בשילוב הזה אמורים להניב תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובמחלה ואפשרויות חדשות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות. כתב היד הנוכחית מתארת ​​טכניקה חדשנית זו בצורה של צעד אחר צעד, תוך התמקדות בהיבטים טכניים של tDCS מנוהל במהלך fMRI.

Introduction

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא שיטה לא פולשנית של גירוי המוחי שבו תפקוד קליפת המוח הוא מווסת על ידי אמצעים של זרם חלש חשמל (בדרך כלל 1-2 mA) הצפוי בין שתי אלקטרודות מודבקות-קרקפת. מבחינה פיזיולוגית, tDCS גורם שינוי קוטביות תלויה בפוטנציאל הממברנה מנוחה עצבי (RMP) בתוך האזור בקליפת המוח הממוקד באמצעות המניפולציה של תעלות נתרן וסידן, ובכך לקדם את השינויים ברגישות קליפת המוח ^1. באופן ספציפי, anodal גירוי (atDCS) הוכח להגביר את הפעילות בקליפת המוח באמצעות שלילת קוטביות של RMP העצבי תוך גירוי cathodal (ctDCS) מפחית את רגישות קליפת המוח ^2. בהשוואה לסוגים אחרים של גירוי המוח (למשל transcranial גירוי מגנטי) בטיחות כבר מבוססת היטב ועד כה אין לו תופעות לוואי חמור דווח גם באוכלוסיות חלשות ^{3, 4.} כמו כן, לפחות עבור loעוצמות גירוי wer (mA עד 1), פלצבו יעיל ("אחיזת עיניים") מצב גירוי קיים ^5, המאפשר מסנוור יעיל של משתתפים וחוקרים לתנאי הגירוי, עיבוד tDCS כלי אטרקטיבי בהגדרות מחקר ניסוייות וקליניות.

מחקרים רבים עד כה הראו כי שינויים אלה ברגישות קליפת המוח עלולים לגרום למודולציות התנהגותיות. במערכת המוטורית, דווחו תופעות תלויות קוטביות עקבית ^{1, 6} לשני atDCS וctDCS. במחקרים קוגניטיביים, רוב המחקרים שהעסיקו atDCS כדי לשפר תפקודים קוגניטיביים דיווחו השפעות מועילות על ביצועים ^7, בעוד ctDCS לעתים קרובות לא הביא לעיבוד הקוגניטיבי לקוי. האחרונים עשויים להיות מוסבר על ידי יתירות רבה יותר של משאבי עיבוד עצביים שבבסיס ההכרה ^6. רוב מחקרי tDCS יש מועסקי עיצובים צולבים על ללמודההשפעות מיידיות של הגירוי, אשר לשרוד את סיום הנוכחי רק לפרקי זמן קצרים ^1. עם זאת, יש הטוען כי חזרו על השפעות גירוי בסינתזה של חלבונים, כלומר הרכישה העצבית המנגנון הבסיסית מיומנות ^8. ואכן, מנוע או הצלחה אימון קוגניטיבי יכול להיות משופרת בשילוב עם הפעלות tDCS חוזרות ונשנות ויציבות לטווח הארוך של שיפורים אלה כבר דיווחו להימשך עד מספר חודשים במבוגרים בריאים ^8-10. גם ממצאים אלה עוררו עניין בשימוש בtDCS בהקשרים קליניים ונתונים ראשוניים מצביע על כך שזה יכול להיות גם שימושי כגישת טיפול ראשונית או מן החוץ באוכלוסיות קליניות שונות ^3. עם זאת, בעוד שמספר גדול יחסית של מחקרים התייחס תופעות neurophysiological של tDCS במערכת המוטורית, מעט מאוד ידוע על המנגנונים העצביים הבסיסיים של תופעות tDCS על תפקודי מוח הקוגניטיביים בבריאות ובחוליים.הבנה טובה יותר של אופן פעולה של tDCS היא תנאי הכרחי עבור יישומים ממוקדים יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.

בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו electroencephalography (EEG) או תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). רוב המחקרים לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית שבחרו להעסיק ¹¹ fMRI. בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית ^11. יתר על כן, בשילוב עם יישום במקביל של tDCS, fMRI מאפשר בחינה של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה גבוהה יותר המרחבי על פני כל המוח, בהשוואה לEEG (לתיאור האחרון של שילוב tDCS-EEG רואה Schestatsky et al. ^12). כתב היד הנוכחית מתארת ​​השימוש בדואר משולב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית. טכניקה חדשנית זו בהצלחה נעשתה שימוש כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס מושרה tDCS מודולציות של תפקודים מוטוריים והקוגניטיביים ^13-19. בעתיד, בשילוב פרוטוקול זה יניבו תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובחוליים. הבנת ההשפעה של tDCS ברשתות עצביות בקנה מידה גדולה כפי שהוערך בטכניקה זו עשויה להניח את היסודות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.

כתב היד תתמקד בהבדלים בין ניסויי tDCS התנהגותיות והשימוש בשילוב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית, עם דגש ספציפי על דרישות חומרה, יישום של הטכניקה, ושיקולי בטיחות. כדוגמא, פגישה אחת של tDCS מנוהל על הרכס החזיתי התחתון של האונה השמאלית (IFG) במהלך משימה נעדרה מנוחת מדינה (RS) fMRI וזמן משימה שפה ^{14, 15} wלהיות מתואר חולה, למרות שיישומים רבים אחרים אפשריים ^{16, 19.} פרטים של עיצוב ניסיוני, מאפייני משתתף ונהלי ניתוח נתוני ה-fMRI שתוארו בפירוט בפרסומים המקוריים ^14,15 והם מעבר להיקפו של כתב היד הנוכחית. יתר על כן, במחקרים אלה, fMRI נוסף לסרוק שדמה מעורב tDCS נרכש ובהשוואה לתוצאות של פגישת atDCS (ראה "תוצאות נציג" לפרטים נוספים). במושב זה היה זהה לזה שתואר בכתב היד הנוכחי, פרט לכך שהגירוי הופסק לפני תחילת פגישת הסריקה (ראה איור 1 לפרטים נוספים). ההליך הנוכחי יושם בהצלחה בסורק 3-טסלה סימנס טריו MRI במרכז ברלין להדמיה מתקדמות (Charité אוניברסיטה לרפואה, ברלין, גרמניה), וצריך באופן עקרוני להיות ישים לסורקים אחרים, כמו גם ^13.

Protocol

1. התוויות נגד ושיקולים מיוחדים

1. יסודיות מסך משתתפים להתוויות נגד MRI (למשל קוצבי לב, קלאוסטרופוביה, וכו ') ולא לכלול במידת צורך. לרכוש שאלונים סטנדרטיים במוסדות קליניים או מחקר הפועלים סורקי MRI. תמיד לציית לנהלי בטיחות סטנדרטיים, כאשר נכנסנו לחדר של הסורק.
2. יסודיות מסך משתתפים להתוויות נגד לtDCS. אלה עשויים לחפוף עם התוויות נגד לבדיקת MRI. ראה Villamar et al. ²⁰ לירושלים.
3. התייעץ עם מתקן ההפעלה לגבי בטיחות ותקנות מקומיות אתיקה ולקבל הרשאות נחוצות. מבחן לממצאי הדמיה פוטנציאליים הנגרמים על ידי הציוד הנוכחי או tDCS הגירוי לפני תחילתו של הניסוי בפועל (למשל על ידי בדיקת ההשפעה של tDCS על יחס אות לרעש ^{17, 18).}

2. FMהתקנת RI, ניסויי עיצוב וחומרים

שים לב: השימוש בtDCS בתוך סורק MRI דורש ציוד מיוחד. בפרט, ספציפי כבלים MRI תואמים, קופסות מסנן, אלקטרודות ורצועות לחבר אלקטרודות לראש של הנבדקים נדרשים. איור 2 מדגים (א) ציוד tDCS סטנדרטי ורכיבים (ב ') לשימוש עם ה-MRI. הרכיבים האחרונים הם נחוצים כדי למנוע את האפשרות של חימום מתחת לאלקטרודות בשל פולסים בתדר הרדיו נפלטים במהלך בדיקת MRI. בנוסף, ממצאי הדמיה בתדירות גבוהה עלולים להיגרם על ידי מכשיר tDCS. שניהם ניתן למנוע על ידי שימוש בתיבות מסנן ממוקם מחוץ ובתוך חדר הסורק, כבלים מצוידים בנגדים ואלקטרודות מוליך MRI תואמים ייעודי גומי.

1. בצע ניסוי הגדרה כללית ורצפים לניסוי fMRI. שניהם תלויים במטרות המחקר. הערה: הפרוטוקול שלהלן הוא speciFIC לניסוי הזה, אבל יכול להיות מתוקן לחול על מספר מצבי ניסוי שונים.
2. השתמש במחשב שולחני עם תוכנת מצגת גירוי המותקן למשימה בשפה שיש בה מצגת חזותית של קטגוריות סמנטיות בתוך הסורק. להציג את הגירויים האלה על מסך הפנימי של הסורק באמצעות מקרן מחובר למחשב ומערכת של מראות.
3. השתמש במיקרופון MRI תואם לשידור של תגובות מילוליות גלויות. לרכוש שני רצפים תפקודיים במהלך tDCS: המשימה נעדרה RS-רצף של חמש דקות ומשימת מילת דור סמנטית גלויה. הערה: פרטים נוספים על ניסיוני ההגדרה, רצפי ה-fMRI וגירויים בעבר תיארו בפירוט ^{14, 15} ואיור 1 מדגים את הניסוי.
4. למכשיר תכנית tDCS, להגדיר את המכשיר כדי לספק זרם חשמלי קבוע קבוע של 1 mA עבור 20 דקות כדי לכסות את כל תקופת הסריקה שתי הפונקציונליתים, כולל הפסקות וזמן להוראות שבבין סריקות ^{14, 15} קצרים. ודא בטוח שהממריץ היא טעון מספיק; אחרת זה עלול נסגר במהלך הניסוי.
5. ודא שכל החומרים הדרושים זמינים (איור 2).

3. התקנת tDCS מחוץ ובתוך הסורק (ראה איור 3 לסקירה סכמטי)

1. מניחים את תיבת המסנן החיצונית קרובה למסנן תדר רדיו הצינור (RF) (כלומר נקודת החדירה במגן תדר הרדיו של סורק ה-MRI, שניתן להשתמש כדי להכניס כבלים מחוץ לסורק). חבר ממריץ עם התיבה החיצונית באמצעות כבל ממריץ. תיבת סינון פנימית וחיצונית לא חייבת להיות מעורבת. הערה: איור 4 א ממחיש את tDCS ההגדרה מחוץ לסורק. התיבה החיצונית מסומנת בבירור באיור 4.
2. למדוד את אורך כבל הנדרש כדי להתחבר פונדקאה עם תיבה חיצונית באמצעות כבל תיבה (ראה נקודה הבאה לגבי מיקום של כבלים בחדר סורק). הכנס ממיר כבלים לתוך צינור RF מבחוץ של הסורק ולהתחבר עם תיבה חיצונית מסנן (איור 4 א).
3. הנח תיבת מסנן פנימית בתוך חלקו האחורי של שעמם הסורק (איור 5); להשתמש בנייר דבק כדי לשמור אותו במקום. מחבר את כבל תיבה עם תיבת מסנן פנימית ולמנוע לולאות בכבלים כמו אלה עלולים לגרום לחימום RF. הערה: הכבל צריך להיות מתואם עם קירות חדר הסורק ומחובר עם דבק (איור 3).

4. משתתף הכנה ומיקום של משתתף בסורק

1. כמו עם tDCS הקונבנציונלי להגדיר קופצים, לבדוק את העור של המשתתף לכל נגעים טרום קיימים, להזיז את שיער משם, עור נקי עם אלכוהול כדי להסיר תרסיס, קרם גוף, וכו '. כדי לשפר את מוליכות עור מתחת לאלקטרודות ^{12, 21.}
2. משרים כיסי ספוג עם תמיסת מלח ולהכניס אלקטרודות MRI תואמות לכיסים (ראה DaSilva ²¹ לשיקולים כלליים של הכנת משתתף ומיצוב אלקטרודה).
3. עמדות אלקטרודה סימן על ראשי תושבים באמצעות עט שאינו מותיר עקבות פרומגנטי (למשל לא משתמשים באייליינר). לקבוע את מיקום יעד להאנודה באמצעות 10-20 מערכת ה-EEG (כאן: עזב את הממשלה העתידית, 5 x 7 סנטימטר ^{2) 14, 15.} לשם כך, אתר (א) לצומת של T3-F3 וF7-C3 ו (ב) נקודת האמצע בין F7-F3. מיקום היעד הוא במרכזו של נקודות חיבור קו (א) ו (ב). קתודה מקום (10 x 10 ² סנטימטר) מעל עמדת supraorbital תקין (לפרטים אודות מיקום האלקטרודה לראות Meinzer et al. ^{14, 15).} חבר אלקטרודות לראש באמצעות גומייה.
4. להנחות את המשתתף מאחורי הסורק ולחבר את כבל האלקטרודה עם filt הפנימיתיבה אה. הפעל ממריץ ועכבת בדיקה על ידי לחיצה על הכפתור הימני העליונות ושמאלי תחתון של ממריץ בו זמנית. אם גבולות העכבה הם הגיעו, ואז ממריץ יפסיק באופן אוטומטי. במקרה זה, לבדוק אם יש לי אלקטרודות מגע עם הקרקפת, עור נקי שוב או להחיל יותר תמיסת מלח אם ספוגים הפכו יבשים מדי, ולאחר מכן בדוק אם כל כבל שבור. הערה: עכבה היא בדרך כלל גבוהה יותר בהשוואה לקבוצה קופצים קונבנציונלית בגלל כבלים נוספים ותיבות מסנן בין ממריץ ואלקטרודות.
5. מדריך משתתף לתוך סורק החדר (לאחר בדיקת בטיחות סופית). מקם את המשתתף על gantry הסורק ולוודא כי אלקטרודות עדיין נמצאות במיקום הנכון. סגור את סליל הראש. כבל האלקטרודה צריך להיות מוזן דרך החלק השמאלי התחתון של סליל הראש (ראה איור 6) או לפי המלצות היצרן.
6. הזז משתתף לשעמם סורק. ודא שהכבל עושהes לא תתפוס על הפיגום ולשבור (ראה איור 6 לעמדה בטוחה אפשרית של הכבל בשלב זה). כאשר המשתתף הגיע לעמדתו הסופית בתוך הסורק, להגיע לכבל האלקטרודה מהקצה האחורי של הסורק ולחבר אותו לתיבת המסנן הפנימית. למסור לחצן חירום למשתתף ולעזוב את החדר של הסורק.

5. החל גירוי

1. השתמש אינטרקום סורק כדי ליידע את המשתתף על תחילת פגישת סריקה. התחל את סריקת Localizer המבנית (כדי לקבוע עמדה בראשו של משתתף בסורק ולאפשר תכנון של סריקות תפקודיות ומבניות שלאחר מכן) באמצעות קונסולת סריקה. בדוק סריקת Localizer לחפצים בתדירות גבוהה: לחץ לחיצה כפולה על סריקת Localizer לאחר תום תקופת הרכישה ולכוונן את החדות (לסימנס טריו ידי החזקת לחצן עכבר ימני והזזת עכבר לשמאל וימין, לדוגמאות ראו איורים 7 או7 ב).
2. השתמש אינטרקום סורק כדי לתקשר לנושא שהגירוי יחל, וכי הוא / היא עלולה להרגיש תחושת עקצוץ בקרקפת למשך זמן קצר. חזור על הוראות לסריקה תפקודית ראשונה. בדוגמא זו, להנחות את המשתתף כדי לשמור על העיניים עצומות למשך הסריקה (5 דקות), הזז מעט ככל האפשר ולא לחשוב על שום דבר מיוחד. ודא שהמקרן כבוי (מסך בתוך שעם הסורק הוא שחור), כדי למנוע גירוי ויזואלי במהלך RS-סריקה.
3. התחל גירוי ידני כ 1-2 דקות לפני תחילת הסריקה הראשונה התפקודית (RS-סריקה). השתמש במסוף סורק כדי לטעון RS-רצף. לחץ לחיצה כפולה על RS-רצף כדי לפתוח שדה של נוף (FOV), להתאים את המצב כדי לכסות את כולו המוח וליישר עם כ השליך הקדמי, אחורי. התחל את הסריקה הראשונה (תוך שימוש בלחצן סריקת START).
4. לפקח עכבה לאורך כל הניסוי. הערה: אם experiment מתנהל במצב כפול סמיות (משתתף וחוקר מסונוורים לגירוי), חוקר שני עשויים להיות נחוץ כדי לפקח על העכבה.
5. בעוד RS-הרצף פועל, לטעון רצף הדמיה תפקודי שני (למשימה בשפה שלאחר מכן) ולהתאים FOV, באמצעות קונסולת סורק כאמור לעיל, כדי להפחית את הזמן הנדרש בין סריקות. לאחר סיומה של RS-הרצף, הפעל את מקרן על מנת לאפשר תצוגה ויזואלית של גירויים ניסיוניים במהלך משימה בשפה. לחץ לחיצה כפולה על סמל תוכנת מצגת והפרדיגמה שפת עומס. השתמש אינטרקום סורק הוראות לחזור לפרדיגמה fMRI הקשורות למשימות ולהתחיל עם משימה ^{14, 15.}
6. לאחר תום ניסוי הגירוי / fMRI, להמשיך בסריקות מבניות מתוכננות. אין לנתק את כבלי אלקטרודה עד סוף פגישת הסריקה.
7. בסוף הניסוי, נתק כבל האלקטרודה מתיבת מסנן פנימי לפני שעברתי את המשתתףפיר סורק. הסר את המשתתף מהסורק, לנתק את סליל ראש ושואל את המשתתף לשבת ולהסיר את האלקטרודות בזהירות.

Results

MRI התפקודי הוא טכניקת הדמיה הפונקציונלית ביותר בשימוש נרחב לטיפול במנגנונים העצביים הבסיסיים של תפקודים מוטוריים או קוגניטיבית. לאחרונה, fMRI שימש גם כדי להעריך את השפעות tDCS על פעילות וקישוריות בקליפת המוח. עם זאת, רוב המחקרים הללו מנוהלים tDCS מחוץ לסורק והערכת השפעות לא מקוונות של הגירוי (מנוהל tDCS כלומר לפני הסריקה ^{22, 23).} רק מעט מחקרים עד כה מנוהלים tDCS במהלך fMRI בו זמנית, תוך שימוש בניגוד שונה ברמת חמצון דם תלוי (BOLD) ^{14-17, 24} או הדמיה ...

Discussion

היישום המשולב של tDCS עם fMRI בו זמנית הראה פוטנציאל להבהרת היסודות העצביים של ההשפעות מיידיות של הגירוי על פני כל המוח עם רזולוציה מרחבית גבוהה ^13-19. בעתיד, מחקרים כאלה עשויים להיות כהשלמה מחקרי EEG-tDCS משולבים, כדי לנצל את הרזולוציה הזמנית מעולה של הטכניקה האחרונה. בנוסף, intrascanner גירוי מאפשר אימות של מיקום הנכון של אלקטרודות על הקרקפת (לדוגמא שימוש בתמונות משוקללת T, ראה איור 10). זה יכול לעזור להפחית שונות בלתי רצויות במחקרים ניסיוניי...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, אילמנאו, גרמניה	21
הרחבת חומרה DC-Stimulator MR (2 אלקטרודות גומי תואמות MRI, כבל אלקטרודה ותיבה ותיבת סינון פנימית; קופסת סינון חיצונית וכבל סטימולטור)	NeuroConn, אילמנאו, גרמניה
2 רפידות ספוג לאלקטרודות גומי (7 ס"מ x 5 ס"מ ו-10 ס"מ x 10 ס"מ)	NeuroConn, אילמנאו, גרמניה
רצועת
תמיסת
סרט			לקביעת מיקום האלקטרודה באמצעות מערכת EEG 10-20
עט			בשימוש במהלך מיקום האלקטרודה