Transcranica diretta stimolazione corrente e simultanea Magnetic Resonance Imaging funzionale

L'obiettivo generale del seguente esperimento è illustrare l'applicazione della stimolazione transcranica a corrente continua, o TDCS, durante una risonanza magnetica funzionale simultanea. Per valutare come la stimolazione influisca sulle funzioni cerebrali umane, il primo passo consiste nell'assemblare l'equipaggiamento necessario, che comprende cavi, elettrodi e scatole di filtro compatibili con la risonanza magnetica. Come secondo passo, è necessario configurare l'apparecchiatura TDCS all'interno e all'esterno dello scanner.

Successivamente, il partecipante viene sottoposto a screening e preparato per la TDCS all'interno dello scanner. Dopo che il partecipante è stato posizionato all'interno del tunnel dello scanner, la stimolazione viene attivata e l'esperimento di FMRI ha inizio. Infine, i risultati dei partecipanti sottoposti a scansione durante la TDCS attiva vengono confrontati, in un disegno sperimentale within-subjects, con i risultati ottenuti durante una sessione separata di TDCS fittizia (sham) al fine di rivelare l'impatto della stimolazione sull'attività cerebrale funzionale.

Il vantaggio principale della stimolazione intracranica rispetto ai protocolli TS puramente comportamentali è che consente lo studio dei meccanismi neuronali sottostanti agli effetti di simulazione. Inoltre, rispetto ad altre tecniche di neuroimaging come l'EEG-fMRI, offre una risoluzione spaziale superiore e permette anche la verifica della posizione dell'elettrodo sul cranio. L'utilizzo combinato di fMRI e stimolazione transcranica a corrente diretta (TDCS) può contribuire a chiarire i meccanismi neurali associati all'azione della TDCS nel cervello sano e anche in diverse condizioni patologiche, come ictus o demenza.

Comprendere come funziona la stimolazione transcranica a corrente diretta (TDCS) nel cervello potrebbe, alla fine, migliorare le applicazioni cliniche di questa tecnica, poiché è necessario eseguire diverse fasi critiche nell'ordine corretto e in modo tempestivo. Una buona pianificazione e la familiarità con questi passaggi sono necessarie per una corretta implementazione. Se eseguita correttamente, la tecnica presenta un rischio minimo per i partecipanti.

Tuttavia, i ricercatori devono assicurarsi di seguire le linee guida stabilite per la sicurezza di risonanza magnetica funzionale (FMRI) e stimolazione cerebrale non invasiva transcranica a corrente diretta (TDCS). Il disegno sperimentale prevede due segmenti di FMRI eseguiti durante una sequenza di stato di riposo della durata di cinque minuti e un compito di generazione verbale semantica esplicita della durata di 11 minuti. La stimolazione TDCS della durata di 20 minuti inizia approssimativamente da uno a due minuti prima delle acquisizioni, copre l'intera durata delle due scansioni funzionali e include anche brevi pause e istruzioni tra una scansione e l'altra.

Vengono acquisite ulteriori scansioni strutturali al termine delle risonanze magnetiche funzionali a riposo e durante il compito. La sessione di stimolazione fittizia prevede 30 secondi di stimolazione transcranica a corrente continua (TDCS) prima della risonanza magnetica funzionale a riposo, senza somministrazione di TDCS per il resto del protocollo per il compito linguistico; utilizzare un software di presentazione degli stimoli per proiettare un'immagine visiva di diverse categorie semantiche su uno schermo all'interno dello scanner. La proiezione avviene tramite un proiettore e un sistema di specchi collegato al computer.

Un microfono compatibile con la risonanza magnetica viene utilizzato per la trasmissione delle risposte verbali esplicite. Per configurare il dispositivo TDCS, impostare il dispositivo in modo da erogare una corrente continua costante di un milliampere per 20 minuti, assicurandosi che lo stimolatore sia sufficientemente carico. In caso contrario, potrebbe spegnersi durante l'esperimento; assemblare quindi tutta l'attrezzatura, i cavi e gli elettrodi necessari per la TDCS, come descritto nel protocollo testuale.

Nella stanza di controllo della risonanza magnetica, posizionare la scatola del filtro esterno vicino al tubo del filtro RF utilizzato per far passare i cavi nella stanza dello scanner. Si noti che la scatola del filtro esterno è chiaramente contrassegnata. Non si devono confondere la scatola del filtro interna ed esterna.

Successivamente, collegare lo stimolatore alla scatola esterna utilizzando il cavo dello stimolatore. Misurare la lunghezza del cavo della scatola necessaria per collegare le scatole filtro interne ed esterne, prevedendo un cavo sufficiente a percorrere i muri della stanza dello scanner. Inserire il cavo della scatola nel tubo del filtro RF e collegarlo alla scatola filtro esterna nella stanza dello scanner.

Posizionare la scatola del filtro interno all'interno dell'estremità posteriore del foro dello scanner e utilizzare del nastro adesivo per mantenerla in posizione. Fissare il cavo della scatola alle pareti con del nastro adesivo e collegarlo alla scatola del filtro interna dello scanner, evitando qualsiasi cappio nei cavi poiché potrebbero indurre riscaldamento a radiofrequenza. Valutare attentamente i partecipanti per controindicazioni alla risonanza magnetica e alla stimolazione transcranica a corrente diretta, come pacemaker, metalli all'interno del corpo e claustrofobia.

Dopo aver spiegato la procedura, ottenere il consenso informato come nei normali setup di TDCS per prepararsi al posizionamento degli elettrodi. Ispezionare la pelle del partecipante alla ricerca di lesioni preesistenti e spostare i capelli. Quindi pulire la pelle con alcol per migliorarne le condizioni.

Dopo aver inzuppato le tasche della spugna con soluzione salina, inserire gli elettrodi compatibili con la risonanza magnetica nelle tasche utilizzando una penna che lasci tracce non magnetiche. Per prima cosa, segnare l'intersezione tra T tre F tre e F sette C3 sulla testa del soggetto, quindi segnare il punto medio tra F sette e F tre. Ora segnare il centro di una linea che collega questi due punti e posizionare l'anodo in corrispondenza di questo punto.

Quindi posizionare l'elettrodo catodico sulla posizione sopraorbitale destra e fissare entrambi gli elettrodi con un cerchietto di gomma. Dopo un ultimo controllo di sicurezza all'esterno dello scanner, accompagnare il partecipante all'interno della stanza dello scanner e avvicinarlo per collegare il cavo degli elettrodi alla scatola del filtro interna. Successivamente, accendere lo stimolatore e verificare l'impedenza, ad esempio premendo contemporaneamente il pulsante in alto a destra e quello in basso a sinistra dello stimolatore.

Le impedenze sono tipicamente più elevate durante questa procedura rispetto ai protocolli standard di T DS S a causa della maggiore resistenza introdotta dalla lunghezza dei cavi e dai box filtranti; è quindi fondamentale verificare le impedenze prima di iniziare la scansione. Se vengono raggiunti i limiti di impedenza, lo stimolatore si arresta automaticamente. Tra le possibili soluzioni vi sono la verifica del contatto degli elettrodi con il cuoio capelluto, la pulizia della pelle e l'applicazione di ulteriore soluzione salina sulle spugne.

Posizionare il partecipante sulla struttura dello scanner. Assicurarsi che gli elettrodi siano ancora nella posizione corretta. Quindi far passare il cavo degli elettrodi attraverso la parte inferiore sinistra della bobina della testa e fissare il cavo per garantire che non si impigli sulla struttura.

Mentre si sposta la struttura, chiudere successivamente la bobina cranica e consegnare al partecipante il pulsante di emergenza. Quindi far scivolare il partecipante all'interno dello scanner.

Successivamente, raggiungere il cavo dell'elettrodo dalla parte posteriore dello scanner e collegarlo alla scatola del filtro interno, quindi uscire dalla stanza. Utilizzare l'interfono dello scanner per informare il partecipante dell'inizio della sessione di scansione. Avviare la scansione localizzatrice strutturale mediante la console di scansione al termine del periodo di acquisizione.

Ispezionare la scansione localizzatrice alla ricerca di artefatti ad alta frequenza facendo doppio clic sulla scansione localizzatrice e regolando il contrasto tenendo premuto il tasto destro del mouse mentre si sposta il mouse a sinistra e a destra. Utilizzare l'interfono dello scanner per comunicare al soggetto che la stimolazione avrà inizio e che potrebbe avvertire una sensazione di formicolio sul cuoio capelluto per un breve periodo. Quindi ripetere le istruzioni per la prima scansione funzionale.

Per la scansione a riposo, chiedere al partecipante di tenere gli occhi chiusi per tutta la durata della scansione di cinque minuti. Di muoversi il meno possibile e di non pensare a nulla in particolare. Inoltre, assicurarsi che il proiettore sia spento manualmente.

Avviare la stimolazione transcranica a corrente diretta (TDCS) circa uno o due minuti prima dell'inizio della scansione funzionale a riposo. Utilizzare la consolle dello scanner per caricare la sequenza a riposo. Fare doppio clic sulla sequenza a riposo per aprire il campo di vista e regolare la posizione in modo da coprire l'intero cervello e allinearlo approssimativamente alla commessura antero-posteriore.

Ora, avviare la prima scansione. Monitorare l'impedenza per tutta la durata dell'esperimento, utilizzando un secondo ricercatore nei casi di studi in doppio cieco mentre è in esecuzione la sequenza dello stato di riposo. Caricare la seconda sequenza di imaging funzionale, ovvero il compito linguistico, e regolare il campo visivo come in precedenza mediante la consolle dello scanner per ridurre il tempo necessario tra una scansione e l'altra.

Al termine della sequenza dello stato di riposo, accendere il proiettore per consentire la visualizzazione dei stimoli sperimentali durante il compito linguistico. Fare doppio clic sull'icona del software di presentazione e caricare il paradigma linguistico. Utilizzare l'interfono dello scanner per ripetere le istruzioni relative al paradigma FMRI associato al compito e iniziare il compito al termine della stimolazione e dell'esperimento FMRI.

Proseguire con le scansioni strutturali previste. Al termine dell'esperimento, scollegare il cavo dell'elettrodo dalla scatola del filtro interno prima di spostare il partecipante fuori dal tunnel dello scanner. Successivamente, rimuovere la bobina della testa e chiedere al partecipante di mettersi seduto ed eliminare con cura gli elettrodi.

Gli studi di risonanza magnetica funzionale (FMRI) effettuati durante un compito di generazione di parole semantiche hanno mostrato un'attività ridotta nella porzione ventrale del giro frontale inferiore sia nei giovani adulti che negli anziani sottoposti a A-T-D-C-S, rispetto alla stessa condizione di stimolazione finta negli stessi soggetti. Non sono state riscontrate differenze significative nel giro frontale inferiore dorsale sinistro e nell'FMRI. La scansione a stato di riposo eseguita durante A-T-D-C-S, confrontata con una scansione a stato di riposo acquisita negli stessi 18 partecipanti durante una sessione separata di stimolazione finta (sham TDCS), illustra le aree cerebrali che mostrano una connettività aumentata durante A-T-D-C-S, indicate in rosso, e le aree con connettività ridotta, indicate in blu.

In futuro, questa nuova tecnica potrebbe essere utilizzata in popolazioni cliniche per aumentare l'efficacia degli interventi esistenti o per sviluppare nuovi protocolli basati su evidenze scientifiche. Per approfondire la comprensione degli effetti alla base della TT CS, questa tecnica potrebbe essere affiancata da altre tecniche come la TT S con EEG, sfruttando così la superiore risoluzione temporale di questi metodi. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona conoscenza dei requisiti tecnici, dell'implementazione e delle considerazioni relative alla sicurezza nell'uso combinato di TDCS e MRI.