Stimolazione cerebrale elettrica non invasiva per la modulazione dell'attività del motoneurone umano

Abstract

Fonte: Curado, M. et. al., Montaggio di stimolazione cerebrale elettrica non invasiva per la modulazione della funzione motoria umana. J. Vis. Exp. (2016)

Questo video mostra la configurazione e il meccanismo della stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) per modulare la funzione motoria umana. Posizionando l'anodo sopra la corteccia motoria primaria e il catodo sopra l'area sopraorbitale controlaterale, la stimolazione elettrica mirata aumenta l'eccitabilità corticale, migliorando l'attività dei motoneuroni e migliorando le prestazioni motorie.

Protocollo

Tutte le procedure che coinvolgono partecipanti umani sono state eseguite in conformità con le linee guida istituzionali, nazionali e internazionali per il benessere umano e sono state esaminate dal comitato di revisione istituzionale locale.

1. Screening di sicurezza

1. Screening del partecipante per potenziali controindicazioni alla stimolazione cerebrale non invasiva, ad esempio utilizzando questionari.

2. Localizzazione della corteccia motoria Localizzare

1. la corteccia motoria della mano del partecipante con uno dei due approcci distinti: localizzando la rappresentazione cerebrale del muscolo di interesse mediante il potenziale evocato motorio (MEP) indotto dalla stimolazione magnetica transcranica (TMS) o localizzando la posizione standard della corteccia motoria primaria (M1) (C3/C4) in base al sistema internazionale dell'elettroencefalogramma (EEG) 10/20 con un metro a nastro.
2. Per la registrazione MEP indotta da TMS, chiedere al partecipante di rimuovere qualsiasi oggetto che possa essere influenzato dal campo magnetico TMS, comprese carte di credito, telefoni cellulari e oggetti metallici in generale.
3. Chiedi al partecipante di sedersi comodamente.
4. Verificare i collegamenti tra l'amplificatore per elettromiografia (EMG) e il computer utilizzato per la configurazione e l'acquisizione del segnale quando si utilizza un'interfaccia software.
5. Accendere l'amplificatore EMG e collegare i cavi degli elettrodi EMG.
6. Pulire la pelle del partecipante strofinando delicatamente con la pasta per la preparazione della pelle nelle regioni della mano in cui verranno posizionati gli elettrodi. Rimuovere l'eccesso con una garza pulita.
7. Collegare gli elettrodi di superficie EMG in un montaggio pancia-tendine sul muscolo della mano di interesse (ad esempio, M. abductor brevis brevis della mano destra) e collegare un elettrodo di terra (ad esempio, sull'avambraccio). Lo scopo dello studio è determinare quale muscolo della mano utilizzare.
   NOTA: Per gli elettrodi riutilizzabili è necessario applicare una piccola quantità di pasta conduttiva sulla superficie dell'elettrodo prima di attaccarlo alla pelle del partecipante.
8. (passaggio opzionale) Avviare il software di registrazione per l'acquisizione MEP se si desidera memorizzare i dati MEP.
9. Controllare i valori di impedenza EMG. Assicurarsi che l'impedenza sia < 20 kOhm.
10. Accendere lo stimolatore magnetico e caricare il condensatore premendo il pulsante "carica" corrispondente.
11. Posizionare una bobina TMS a forma di otto sul cuoio capelluto del partecipante sulla fessura interemisferica e spostarla nell'area della corteccia motoria (intorno alle posizioni C3/C4 del sistema internazionale EEG 10/20). Tenere la bobina TMS a un angolo di 45 °-50 ° rispetto alla fessura interemisferica, con l'impugnatura orientata all'indietro, producendo un flusso di corrente corticale da posteriore a anteriore.
    NOTA: Per la localizzazione della corteccia motoria vengono utilizzate due bobine TMS distinte: bobine a forma di otto o circolari. Se possibile, utilizzare una bobina a forma di otto in quanto fornisce una stimolazione cerebrale più focale e una maggiore affidabilità delle misurazioni dell'eccitabilità corticale.
12. Quando lo stimolatore magnetico è carico (visibile sul display), scaricare lo stimolatore premendo il pulsante di attivazione o premendo l'interruttore a pedale o automaticamente tramite un programma software. Questo fornirà successivamente un singolo impulso TMS attraverso la bobina TMS collegata posizionata sul cuoio capelluto del partecipante. Le impostazioni predefinite dell'impulso TMS (ad esempio, 100 μs di tempo di salita della corrente indotta e 800 μs di tempo di decadimento per stimoli monofasici; tempi di decadimento più brevi per stimoli bifasici) sono specifiche per il dispositivo (firmware).
13. Iniziare con una bassa intensità di stimolazione (ad esempio, impostare l'intensità al 45% dell'uscita utilizzando la manopola del regolatore dell'intensità di stimolazione sullo stimolatore) e osservare i MEP visibili sull'amplificatore EMG.
    1. Se non è visibile alcun MEP, aumenta l'intensità della stimolazione con incrementi del 2-5% fino a quando un MEP è chiaramente presente (ad esempio, 0,5-1 mV di ampiezza). Ripetere la stimolazione premendo il pulsante di attivazione o attivando l'interruttore a pedale se l'erogazione del polso non è automatizzata. Informare il partecipante che la stimolazione sarà leggermente più forte e che sono previsti movimenti degli arti, contrazioni facciali e battiti di ciglia.
       NOTA: Stabilire un intervallo minimo di 5 secondi tra gli impulsi per evitare effetti di stimolazione a bassa frequenza sull'eccitabilità cerebrale.
14. Muovere la bobina radialmente a passi di 1 cm attorno al sito inizialmente stimolato per trovare il punto con la maggiore risposta MEP dopo l'applicazione di singoli impulsi TMS. Da lì, ricominciare a muovere la bobina per fissare l'"hotspot" (area corticale con ampiezza MEP massima).
    NOTA: L'uso di un cappuccio per la testa (ad esempio, utilizzato per le marcature della griglia) per la procedura di localizzazione non è raccomandato poiché il cappuccio deve essere rimosso per il posizionamento dell'elettrodo di stimolazione cerebrale elettrica non invasiva (NEBS) e la posizione dell'hotspot potrebbe essere persa.
15. Ridurre l'intensità della stimolazione in incrementi di circa il 2% utilizzando la manopola del regolatore dell'intensità della stimolazione sullo stimolatore (la MEP deve essere ancora presente). Ciò eviterà imprecisioni dovute alla stimolazione sopramassimale. Riconfermare l'hotspot spostando la bobina radialmente in incrementi di 1 cm attorno all'hotspot e controllando la dimensione MEP. L'hotspot dovrebbe comunque corrispondere all'ampiezza MEP più grande e più consistente.
    NOTA: Chiedi al partecipante di contrarre volontariamente il muscolo di interesse se l'hotspot è difficile da trovare (ad esempio, nessun MEP presente ad alte intensità di stimolazione). In questo modo, l'intensità della stimolazione necessaria per suscitare la MEP diminuisce e può essere più facile identificare i siti di stimolazione corticale rilevanti. Se viene utilizzato questo metodo, chiedere al partecipante di rilassare il muscolo dopo aver trovato un sito di stimolazione pertinente e regolare l'intensità della stimolazione in modo da poter trovare MEP affidabili quando il muscolo è a riposo. Procedi per trovare l'hotspot.
16. Contrassegnare la posizione del punto attivo e l'orientamento della bobina con un pennarello cutaneo non permanente.
17. Per la stimolazione bilaterale M1, ripetere i passaggi da 2.11 a 2.16 per l'arto controlaterale.

3. Preparazione dell'elettrodo NEBS Collegare

1. i cavi agli elettrodi di gomma e posizionare gli elettrodi all'interno dei sacchetti di spugna. Assicurarsi che le dimensioni dell'elettrodo e della sacca corrispondano. I materiali sono disponibili in commercio in dimensioni standard (ad esempio, 5x5 cm², 5x7 cm²).
2. Immergere i sacchetti di spugna su entrambi i lati con una soluzione isotonica di cloruro di sodio (NaCl), ma evitare un ammollo eccessivo per evitare ponti salini o gocciolamenti sul volontario.
   1. Questo passaggio è facoltativo: Per evitare la fuoriuscita della soluzione di NaCl quando si utilizzano bende invece di elastici, posizionare gli elettrodi e i sacchetti di spugna all'interno di coperture di spugna di gomma non conduttive.
      NOTA: In alternativa, coprire l'elettrodo di gomma con pasta conduttiva e posizionarlo direttamente sulla testa del partecipante, cioè non utilizzando sacchetti di spugna o coperchi di spugna di gomma.

4. Posizionamento dell'elettrodo NEBS (Figura 1)

1. Individuare i segni della testa che indicano il punto caldo corticale motorio e separare i peli intorno all'area.
2. Per migliorare la conduttanza, pulire la pelle prima del posizionamento dell'elettrodo strofinando delicatamente l'area della pelle intorno ai segni della testa con un tampone imbevuto di alcol al 40-50% o pasta per la preparazione della pelle. Non graffiare la pelle! Rimuovere l'eccesso con un tampone e pulire nuovamente l'area con una soluzione isotonica di NaCl. Asciugare l'area in seguito.
   NOTA: Assicurarsi che i segni della testa rimangano visibili; Osservare se necessario.
3. Posizionare un elettrodo seguendo la marcatura della testa per l'M1 di interesse (controlaterale alla mano di interesse). Portare la spugna il più possibile a contatto diretto con la pelle. Posizionare il cavo dell'elettrodo verso la parte posteriore del partecipante per evitare disturbi durante la stimolazione e/o l'esecuzione dell'attività e per facilitare il collegamento al dispositivo NEBS.
   NOTA: I peli sotto l'elettrodo dovrebbero diventare damp. In caso di eccessiva umidificazione dei capelli, utilizzare carta o salviette per assorbire l'eccesso.
   NOTA: Per la tDCS anodica, l'elettrodo posto sull'hotspot corticale motorio di interesse (è auspicabile un aumento dell'eccitabilità) corrisponde all'anodo, solitamente collegato al cavo rosso. Il catodo (solitamente collegato a un cavo nero o blu) è posizionato sull'area sopraorbitale opposta o M1 (vedi sotto). Convenzionalmente, il posizionamento degli elettrodi è lo stesso per la stimolazione transcranica con rumore casuale (tRNS), sebbene nel protocollo classico non vi sia alcuna specificità di polarità a causa del flusso di corrente alternata. Il posizionamento specifico può essere importante se le impostazioni di stimolazione includono un offset di stimolazione.
4. Per la stimolazione unilaterale M1, posizionare il secondo elettrodo (per la tDCS anodica: il catodo) sull'area sopraorbitale controlaterale (corrispondente all'elettrodo Fp2 nel sistema internazionale EEG 10/20). Assicurarsi che il cavo sia orientato verso la parte posteriore del partecipante.
5. Coprire la testa due volte con una benda elastica circolarmente in direzione medio-laterale per stabilizzare l'elettrodo M1, quindi utilizzare la benda rimanente per coprire la testa circolarmente in direzione antero-posteriore per stabilizzare entrambi gli elettrodi.
6. Usa un nastro adesivo per fissare l'estremità della benda.
7. Fissare i cavi con del nastro adesivo sul collo o sulla maglietta del partecipante.
8. Collegare i cavi degli elettrodi al dispositivo NEBS.

5. Interruttore di stimolazione

1. sul dispositivo NEBS.
2. Regolare le impostazioni del dispositivo NEBS per quanto riguarda il tipo di stimolazione (tDCS o tRNS), l'intensità (ad es. 1 mA, 1,5 mA o 2 mA), la durata (ad es. 10-40 min), l'aumento e la diminuzione (tempo tra l'inizio della stimolazione e l'intensità massima, in genere 8-15 secondi) e altri fattori relativi al tipo di stimolazione (ad es. spettro di frequenza per tRNS).
   NOTA: Convenzionalmente, la stimolazione fittizia include l'aumento immediato, seguito dall'aumento della diminuzione. Di conseguenza, il partecipante sente la stimolazione, ma la durata della stimolazione non è sufficiente per esercitare effetti duraturi sulla funzione cerebrale. Alcuni dispositivi NEBS includono una modalità di studio che consente l'accecamento del partecipante e dello sperimentatore inserendo un codice soggetto specifico per lo studio. Il codice determina automaticamente le impostazioni di stimolazione. In alternativa, un secondo sperimentatore può impostare le impostazioni di stimolazione in ogni sessione e coprire il display dallo sperimentatore che esegue la stimolazione.
3. Informare il partecipante sui potenziali effetti collaterali associati al NEBS. Gli effetti avversi comuni includono prurito/formicolio della pelle o sensazione di bruciore sotto gli elettrodi, mal di testa e disagio. La sensazione di bruciore può essere un segno di scarso contatto degli elettrodi con la pelle.
4. Iniziare la stimolazione.
   NOTA: La durata della stimolazione comune dura circa 10-20 minuti in base ai rapporti che indagano i cambiamenti nell'eccitabilità corticale (vedere la sezione dei risultati rappresentativi). Empiricamente, la durata massima della stimolazione è stata impostata a 40 minuti.
5. Verificare la continuità della stimolazione durante l'aumento e la stimolazione. Se l'impedenza è troppo alta o gli elettrodi sono a cattivo contatto con la pelle, la stimolazione potrebbe terminare automaticamente.
   NOTA: Nel caso in cui l'impedenza sia troppo alta o il partecipante riferisca un aumento del disagio durante la stimolazione, provare a ridurre l'impedenza, ad esempio, fissando meglio gli elettrodi nei siti di stimolazione o aggiungendo un mezzo conduttivo. La soluzione di NaCl può essere aggiunta utilizzando una siringa direttamente nelle spugne dopo il loro posizionamento sulla testa.
   NOTA: Alcuni dispositivi riportano l'impedenza durante la stimolazione per motivi di sicurezza. Il dispositivo NEBS può spegnersi se l'impedenza raggiunge una soglia specifica (ad esempio, 55 kOhm).

Risultati

Figura 1. Montaggio degli elettrodi e direzione della corrente per strategie NEBS distinte. (A) Per la stimolazione transcranica anodica unilaterale a corrente continua (tDCS), l'anodo è centrato sulla corteccia motoria primaria di int...

Materiali