Effetti della stimolazione transcranica con corrente alternata la corteccia motoria primaria di approccio combinato Online con stimolazione magnetica transcranica
23 settembre 2017
Corrente alternata la stimolazione transcranica (TAC) permette la modulazione dell'eccitabilità corticale in un modo frequenza-specifico. Qui vi mostriamo un approccio unico che combina online TAC con singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) al fine di "sondare" eccitabilità corticale mediante potenziali evocati motore.
L'obiettivo generale di questa procedura è valutare la modulazione degli effetti in corso della stimolazione transcranica con corrente alternata mediante stimolazione magnetica transcranica a singolo percorso, in un nuovo approccio combinato in linea. La stimolazione elettrica transcranica è una tecnica neuromodulante che influenza gli stati neuronali attraverso diverse forme d'onda di corrente. È comunemente utilizzata nelle neuroscienze per indagare le funzioni motorie e cognitive del cervello.
Gli approcci più utilizzati si basano sulla stimolazione a corrente continua, sul rumore casuale e sulla stimolazione a corrente alternata, in grado di indurre modifiche nell'attività neuronale. Sia all'interno che all'esterno dei neuroni, causando alterazioni del potenziale di membrana a riposo e, di conseguenza, modificando l'efficienza sinaptica neuronale. La stimolazione transcranica alternata (TACS) ci permette di applicare un potenziale oscillatorio esterno di tipo sinusoidale in un intervallo di frequenze specifico.
Inducendo l'effetto di sincronizzazione sull'attività oscillatoria endogena. In questo studio presentiamo un nuovo metodo che combina la stimolazione alternata transcranica (TACS) e la stimolazione magnetica corticale singola (CMS) durante la stimolazione in corso della corteccia motoria primaria. Il metodo ci consente di testare in tempo reale gli effetti della stimolazione con corrente alternata sulla corteccia motoria primaria mediante potenziali evocati motori indotti da stimolazione magnetica transcranica a impulso singolo.
Mostreremo l'intera serie di attrezzature necessarie per eseguire un protocollo TACS-TMS combinato online mediante stimolazione della corteccia motoria primaria. L'elenco delle attrezzature comprende un dispositivo di stimolazione elettrica in grado di generare corrente alternata, ad esempio BrainStim. Collegato tramite due elettrodi a superficie in spugna imbevuta di soluzione salina, di dimensioni comprese tra cinque e sette centimetri.
Per ridurre al minimo la sensazione cutanea, gli elettrodi vengono completamente saturati con soluzione salina in modo da mantenere l'impedenza al di sotto di 10 kiloOhm per tutta la durata della sessione di stimolazione. L'elettrodo attivo viene posizionato sul cuoio capelluto corrispondente al punto focale della corteccia motoria primaria utilizzando apposite cinghie elastiche, mentre l'elettrodo di riferimento viene posizionato sulla spalla ipsilaterale mediante nastro adesivo, secondo una configurazione detta a monopolo. Negli esseri umani, le oscillazioni a diverse frequenze riflettono diversi comportamenti e processi cognitivi che sottendono diversi stati di attività della rete neurale.
Come misurato tipicamente mediante encefalografia o magnetoencefalografia. Le oscillazioni nel cervello umano variano da oscillazioni ultra-lente a oscillazioni ultra-veloci. Sono solitamente presenti contemporaneamente e possono modulare e interagire tra loro.
Tuttavia, il legame tra attività oscillatoria e processi cerebrali è sempre stato stabilito mediante metodi correlazionali. Pertanto, rimane irrisolto il dibattito su se le oscillazioni cerebrali riflettano direttamente meccanismi fondamentali dell'elaborazione corticale dell'informazione o siano semplicemente un epifenomeno. Utilizzando la TACS, possiamo modulare in modo causale le oscillazioni cerebrali in maniera specifica per frequenza, e di conseguenza influenzare l'attività neuronale fisiologica associata a stati di riposo, nonché a processi percettivi e cognitivi.
Per configurare il protocollo TCS utilizzando il dispositivo BrainStim, verificare innanzitutto lo stato della batteria. I parametri di stimolazione vengono quindi regolati tramite un software specifico. Frequenza, durata e forma della corrente.
e trasferito al dispositivo tramite connessione Bluetooth. Utilizzando il software, aprire una nuova sessione e configurare un nuovo protocollo o stimolazione. Ad esempio, il protocollo verrà denominato Beta.
Impostare la frequenza di stimolazione, nel nostro caso 20 Hz, regolare l'onda in forma sinusoidale e impostare la durata totale del protocollo di stimolazione, ad esempio 600 secondi. Infine, impostare l'intensità della stimolazione a 1 milliAmp, mentre l'offset, l'attenuazione iniziale (fade in), l'attenuazione finale (fade out) e il fade sono impostati a zero. Successivamente, quando la funzione Bluetooth è attivata sul dispositivo, caricare il protocollo dal software al stimolatore.
Procedere quindi verificando se il protocollo è stato trasferito correttamente sul dispositivo. Passare ora alla parte relativa alla TMS. Posizionare innanzitutto gli elettrodi per un'EMG superficiale al fine di misurare i potenziali del blocco motorio mediante TMS con impulso singolo.
Pulire la pelle utilizzando un detergente sotto tutti gli elettrodi per ottenere un'impedenza cutanea bassa, al di sotto di 10 kiloOhm. In questo caso abbiamo preso un muscolo interosseo dorsale primo e utilizzato una montatura bipolare ventre-tendine. Posizionare l'elettrodo attivo sul muscolo, l'elettrodo di riferimento sull'osso, due centimetri in direzione distale, e l'elettrodo di terra più prossimalmente sul braccio.
I potenziali di blocco motorio vengono misurati mediante elettrodi di argento, cloruro di argento collegati all'amplificatore BrainAmp DC tramite un box di connessione. Utilizziamo il sistema di navigazione TMS senza telaio LocalEye TMS navigator per ottenere un posizionamento corretto della bobina TMS. Innanzitutto posizioniamo i sensori di tracciamento sulla parte anteriore del partecipante.
Per la stimolazione con TMS utilizziamo uno stimolatore magnetico in regime bifasico e una bobina di stimolazione a forma di H con un'ampiezza di 75 millimetri. Successivamente, utilizzando la video-risonanza magnetica strutturale T1 del partecipante, viene creata una rappresentazione aggiornata della testa del partecipante all'interno del modello tridimensionale della testa ottenuto tramite risonanza magnetica, mediante un sistema di navigazione. Dopodiché, la bobina viene posizionata con precisione sulla zona motoria primaria della testa, la cosiddetta regione del "manubrio motorio".
Quindi iniziare a testare i potenziali di blocco motorio TMS a singolo passaggio. Una volta individuato un hotspot ottimale per la rappresentazione corticale del modello di mano in studio, tale posizione viene segnata per il posizionamento successivo dell'elettrodo target per la TCS. Regolare con attenzione la prima fascia elastica sulla testa rispetto alla posizione del centro della testa.
Quindi posizionare l'elettrodo bersaglio sulla seconda striscia. Una volta posizionati gli elettrodi TCS sia sul cranio che sulla spalla controlaterale, procedere al loro collegamento con lo stimolatore. Prima di iniziare la sessione di stimolazione, verificare visivamente che la posizione dell'elettrodo bersaglio sia centrata rispetto al punto caldo precedentemente segnato.
Quindi posizionare la bobina TMS sopra gli elettrodi TCS riadattando l'intensità e l'orientamento mediante neuro-navigazione, al fine di ritrovare nuovamente il punto focale. A questo stadio, determinare il metodo della soglia del modello a riposo per questa nuova montatura combinata TCS-TMS, tenendo conto dello spessore dell'elettrodo bersaglio. Impostare l'intensità della stimolazione durante l'esperimento al 110% della soglia motoria a riposo.
La maggior parte degli studi sulla stimolazione cerebrale transcranica ha mostrato effetti online evidenti; allo stesso tempo, non esiste ancora una chiara evidenza riguardo agli effetti duraturi della stimolazione dopo l'interruzione della TCS. Solo pochi studi in letteratura hanno mostrato effetti post-stimolazione deboli e poco chiari rispetto a quelli che hanno utilizzato la TCS online. Anche l'elettroencefalografia non fornisce evidenze chiare sugli effetti post-stimolazione della TCS.
È stato dimostrato in vivo che l'insorgenza di attività è sincronizzata con diverse frequenze di stimolazione, suggerendo che la scarica neuronale possa essere modulata da campi elettrici applicati. Pertanto, nei modelli animali, una TCS sinusoidale debole sincronizza la frequenza di scarica dell'impulso neuronale corticale diffuso. Negli esseri umani, evidenze recenti hanno mostrato che la TCS in tempo reale può indurre un effetto di sincronizzazione sulla firma dell'EG.
Tuttavia, l'approccio TCS EG rimane discutibile, innanzitutto a causa degli artefatti indotti dalla corrente alternata e, in secondo luogo, perché non è praticamente possibile acquisire direttamente il segnale EG dell'area stimolata. Tale montaggio combinato TCS-TMS permette di osservare, in particolare per il sistema sensorimotorio, gli effetti online specifici per frequenza della TCS sull'output corticospinale utilizzando come sonda singoli impulsi TMS applicati alla corteccia motoria primaria. Pertanto, avviare il protocollo di stimolazione elettrica a 20 Hz mentre si somministrano impulsi singoli TMS online intervallati da intervalli casuali compresi tra tre e cinque secondi.
Ad esempio, possiamo mostrare l'aumento delle ampiezze del potenziale di blocco motorio durante la TCS online a 20 Hz rispetto alla stimolazione a 10 Hz o sham. In questa immagine si può vedere un esempio di disegno sperimentale in cui la bobina TMS è posizionata sopra l'elettrodo TCS bersaglio. In questo esperimento, gli elettrodi rossi bersaglio sono posizionati sulla corteccia motoria sinistra e sulla corteccia parietale destra.
L'elettrodo di riferimento blu viene posizionato sulla linea mediana corrispondente alla posizione PZ del sistema internazionale EG 1020. La bobina viene mantenuta sull'elettrodo spugna posizionato sulla corteccia motoria sinistra. La corteccia motoria umana stimolata presenta un'attività di circa 20 Hz.
Collaboratori frequenti hanno fornito l'evidenza cruciale dell'attività a 20 Hz a riposo nell'uomo, dimostrando l'aumento in tempo reale dell'eccitabilità cortico-spinale durante la stimolazione applicata a 20 Hz. Nel grafico, l'asse Y rappresenta l'ampiezza media del potenziale evocato muscolare (MEP) misurata mediante impulso singolo di stimolazione magnetica transcranica (TMS) mentre la stimolazione transcranica (TCS) era in corso. L'asse X rappresenta diverse frequenze di stimolazione.
Solo la TCS applicata a 20 Hz sulla corteccia motoria ha aumentato l'output corticospinale. Non si è osservato alcun effetto della stimolazione a frequenze diverse né della stimolazione della corteccia parietale. Questa è stata la prima evidenza di un effetto in tempo reale, specifico per frequenza, della TCS sulla corteccia motoria, misurato mediante un approccio combinato di TACS e TMS.
La ragione alla base della combinazione dell'uso di TMS e TACS risiede nelle diverse informazioni che questi metodi forniscono. Registrando i potenziali motori evocati sulla mano controlaterale rispetto alla corteccia motoria primaria, possiamo verificare gli effetti privi di artefatti della TCS in corso. Ciò ci permette di monitorare con precisione i cambiamenti nell'eccitabilità corticale mediante potenziali motori evocati durante la stimolazione elettrica applicata a diverse frequenze, in modo privo di artefatti.
Questo nuovo approccio può essere utilizzato per testare l'effetto in linea di qualsiasi altra forma di stimolazione elettrica transcranica.
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Panoramica
Questo studio presenta un approccio innovativo che combina la stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) con la stimolazione magnetica transcranica a impulso singolo (TMS) per valutare l'eccitabilità corticale. Il metodo mira a indagare la modulazione degli stati neuronali mediante stimolazione specifica per frequenza.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Nuemodulazione
- Elettrofisiologia
Sfondo
- La stimolazione elettrica transcranica viene utilizzata per studiare le funzioni cerebrali.
- La TACS eroga potenziali oscillatori sinusoidali per modulare l'attività neuronale.
- Il TMS a impulso singolo è impiegato per misurare i potenziali motori evocati.
- La combinazione di queste tecniche permette una valutazione in tempo reale dell'eccitabilità corticale.
Scopo dello studio
- Valutare gli effetti persistenti della stimolazione transcranica alternata (tACS) sull'eccitabilità corticale.
- Esplorare l'interazione tra tACS e stimolazione magnetica transcranica (TMS).
- Sviluppare un nuovo approccio combinato in tempo reale per la ricerca sulla neuromodulazione.
Metodi Utilizzati
- Stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS).
- Stimolazione magnetica transcranica con impulso singolo (TMS).
- Misurazione dei potenziali motori evocati (MEPs).
- Valutazione in tempo reale dell'eccitabilità corticale.
Risultati principali
- Dimostrata modulazione dell'eccitabilità corticale mediante tACS.
- Stabilito un metodo per indagare gli stati neuronali utilizzando la TMS.
- Fornite informazioni sugli effetti specifici per frequenza della tACS.
- Evidenziato il potenziale delle tecniche combinate di neuromodulazione.
Conclusioni
- La combinazione di tACS e TMS offre un approccio innovativo per lo studio dell'eccitabilità corticale.
- Questo metodo può migliorare la nostra comprensione della modulazione della funzione cerebrale.
- La ricerca futura potrebbe esplorare ulteriori applicazioni di questa tecnica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente la valutazione della neuromodulazione specifica per frequenza nella corteccia motoria, supportando la validazione del bersaglio nella scoperta di farmaci nel campo delle neuroscienze. Combinando la stimolazione transcranica alternata (tACS) con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) per misurare i potenziali motori evocati, i ricercatori possono indagare i legami causali tra attività oscillatoria ed eccitabilità corticale, evitando interferenze da artefatti EEG. Questo approccio aumenta la fiducia predittiva negli studi meccanicistici della funzione delle reti neuronali rilevanti per lo sviluppo di terapie del sistema nervoso centrale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo di Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche riguardo ai meccanismi oscillatori corticali nella funzione motoria.
- Valore operativo: Fornisce letture fisiologiche prive di artefatti mediante le variazioni dell'ampiezza dei MEP durante la stimolazione tACS in corso.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Stabilisce una piattaforma riproducibile per lo screening della neuromodulazione specifica per frequenza nella corteccia motoria.
- Valore operativo: Favorisce la standardizzazione dei saggi attraverso parametri definiti di stimolazione transcranica alternata (tACS) e localizzazione del punto focale mediante stimolazione magnetica transcranica (TMS).
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Favorisce la modellizzazione di sistemi rilevanti per le malattie collegando gli effetti della tACS a 20 Hz con l'output corticospinale nella corteccia motoria umana.
- Valore operativo: Permette una continuità traslazionale interspecie dimostrando effetti di sincronizzazione osservati sia nei modelli animali che umani.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta fornendo una riduzione del rischio meccanicistica per bersagli oscillatori prima delle fasi di identificazione dei composti promettenti.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sull'entrainment neuronale frequenza-specifico nelle reti motorie.
- Screening: Fornisce letture quantitative e riproducibili dell'ampiezza dei potenziali evocati motori (MEP) per il confronto tra condizioni.
- Analisi: Genera misurazioni dell'eccitabilità corticale che consentono confronti statistici tra diverse frequenze di stimolazione.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati alla continuità preclinica attraverso la dimostrazione di fenomeni di entrainment nell'attività corticale di animali e umani.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma di neuromodulazione riutilizzabile, applicabile a diverse frequenze bersaglio del sistema nervoso centrale.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione dell'obiettivo isolando gli effetti specifici della frequenza sull'output corticale.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità attraverso un posizionamento standardizzato degli elettrodi e il tracciamento del punto focale della stimolazione magnetica transcranica (TMS).
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione fornendo informazioni meccanicistiche sui meccanismi di neuromodulazione.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce un avanzamento proporzionato al rischio riducendo l'ambiguità nelle evidenze relativa al coinvolgimento dell'obiettivo.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in neurofisiologia, navigazione TMS e protocolli di neuromodulazione.
- Necessita di uno stimolatore elettrico con trasferimento del protocollo via Bluetooth, un sistema di navigazione TMS senza telai e un setup per l'acquisizione di EMG.
- Impone una standardizzazione tra i team per quanto riguarda la montatura degli elettrodi, il controllo dell'impedenza e la riproducibilità del posizionamento della bobina.
- Richiede considerazioni adattative per diversi bersagli corticali e finestre di sincronizzazione specifiche per frequenza.
- È limitato dalla necessità di utilizzare proxy fisiologici privi di artefatti, come le MEP, quando l'EEG diretto è compromesso da artefatti di tACS.
