ヒトの運動ニューロン活動を調節するための非侵襲的電気脳刺激

要約

出典: Curado, M. et al., Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montage for Modulation of Human Motor Function.J. Vis. 経験。(2016年)

このビデオは、人間の運動機能を調節するための経頭蓋直流刺激 (tDCS) のセットアップとメカニズムを示しています。陽極を一次運動皮質の上に配置し、陰極を反対側の眼窩上領域に配置することにより、標的を絞った電気刺激により皮質の興奮性が高まり、運動ニューロンの活動が強化され、運動能力が向上します。

プロトコル

人間の参加者が関与するすべての手順は、人間の福祉に関する制度的、国内的、および国際的なガイドラインに従って実行され、地元の治験審査委員会によって審査されています。

1. 安全性スクリーニング

アン

1. ケートなどを使用して、非侵襲的脳刺激に対する潜在的な禁忌について参加者をスクリーニングします。

2. 運動皮質の局在化

1. 2 つの異なるアプローチのいずれかによって参加者の手の運動皮質を特定します: 経頭蓋磁気刺激 (TMS) 誘発運動誘発電位 (MEP) によって目的の筋肉の脳表現を特定するか、標準的な一次運動皮質 (M1) 位置 (C3/C4) を測定テープで脳波 (EEG) 10/20 国際システムに基づいて特定します。
2. TMS 誘発 MEP 記録の場合は、クレジット カード、携帯電話、金属物体全般など、TMS 磁場の影響を受ける可能性のある物体を取り除くように参加者に依頼します。
3. 参加者に快適に座るように依頼します。
4. ソフトウェアインターフェイスを使用する場合、筋電図(EMG)アンプと信号の構成と取得に使用されるコンピューター間の接続を確認します。
5. EMGアンプをオンにし、EMG電極ケーブルを接続します。
6. 電極を配置する手の領域を皮膚準備ペーストでそっとこすり、参加者の皮膚をきれいにします。清潔なガーゼパッドで余分なものを取り除きます。
7. 目的の手の筋肉 (右手の短母指外転筋など) に腹腱モンタージュで EMG 表面電極を取り付け、接地電極 (前腕など) に接続します。この研究の目的は、どの手の筋肉を使用するかを決定することです。
   注: 再利用可能な電極の場合は、参加者の皮膚に貼り付ける前に、電極表面に少量の導電性ペーストを塗布する必要があります。
8. (オプションのステップ)MEPデータの保存が必要な場合は、MEP取得用の記録ソフトウェアを起動します。
9. EMGインピーダンス値を確認してください。インピーダンスが 20 kΩ <であることを確認してください。
10. 磁気刺激装置の電源を入れ、対応する「充電」ボタンを押してコンデンサを充電します。
参加者
11. の頭皮に 8 の字の TMS コイルを半球間裂の上に置き、運動皮質領域 (EEG 10/20 国際システムの位置 C3/C4 の周囲) に移動します。TMSコイルを半球間亀裂を基準に45°〜50°の角度で保持し、ハンドルを後方に向け、後方から前方に皮質電流を流します。
    注:運動皮質の局在化には、8の字コイルまたは円形コイルの2つの異なるTMSコイルが使用されます。可能であれば、より焦点的な脳刺激を提供し、皮質興奮性の測定の信頼性を高めるため、8の字コイルを使用してください。
12. 磁気刺激装置が充電されたら(ディスプレイに表示されます)、トリガーボタンを押すか、フットスイッチを踏むか、ソフトウェアプログラムによって自動的に刺激装置を放電します。これにより、参加者の頭皮上に配置された接続された TMS コイルを介して単一の TMS パルスが供給されます。デフォルトのTMSパルス設定(たとえば、誘導電流の立ち上がり時間は100μs、単相性刺激の場合は800μsの減衰時間、二相性刺激の場合は減衰時間の短縮)は、デバイス(ファームウェア)に固有です。
13. 低い刺激強度から始めて(たとえば、刺激装置の刺激強度コントローラーノブを使用して強度を45%出力に設定します)、EMGアンプに見えるMEPを監視します。
    1. MEPが見えない場合は、MEPが明確に存在するまで(たとえば、0.5〜1 mVの振幅)まで、2〜5%ステップで刺激強度を増やします。パルス伝達が自動化されていない場合は、トリガーボタンを押すか、フットスイッチを作動させて刺激を繰り返します。刺激がわずかに強くなり、手足の動き、顔のけいれん、まばたきが予想されることを参加者に知らせます。
       注: 脳の興奮性に対する低周波刺激の影響を避けるために、パルスの間に最小 5 秒の間隔を設
けてください。
14. 最初に刺激された部位の周囲を1cm刻みでコイルを放射状に動かし、単一のTMSパルスを適用した後、最大のMEP応答を持つスポットを見つけます。そこから、コイルの移動を再開して「ホットスポット」(最大MEP振幅の皮質領域)を確保します。
    注:非侵襲的電気脳刺激(NEBS)電極の配置のためにキャップを取り外す必要があり、ホットスポットの位置が失われる可能性があるため、ローカリゼーション手順にヘッドキャップ(グリッドマーキングなど)を使用することはお勧めできません。
15. 刺激装置の刺激強度コントローラーノブを使用して、約2%ステップで刺激強度を下げます(MEPがまだ存在している必要があります)。これにより、超最大刺激による不正確さを回避できます。ホットスポットの周りを 1 cm 刻みでコイルを放射状に動かし、MEP サイズを確認して、ホットスポットを再確認します。ホットスポットは、最大かつ最も一貫した MEP 振幅に対応する必要があります。
    注: ホットスポットを見つけるのが難しい場合 (たとえば、高い刺激強度で MEP が存在しない場合) は、参加者に目的の筋肉を自発的に収縮させるように依頼します。そうすることで、MEP を誘発するために必要な刺激強度が低下し、関連する皮質刺激部位を特定しやすくなる可能性があります。この方法を使用する場合は、関連する刺激部位を見つけた後、参加者に筋肉を弛緩させ、筋肉が静止しているときに信頼できる MEP が見つかるように刺激強度を調整するように依頼します。ホットスポットの検索に進みます。
16. ホットスポットの位置とコイルの向きを非永久性皮膚マーカーでマークします。
17. 両側 M1 刺激の場合は、反対側の肢に対して手順 2.11 から 2.16 を繰り返します。

3. NEBS 電極の準備

:

1. ケーブルをゴム電極に接続し、電極をスポンジバッグの中に入れます。電極のサイズとスポンジバッグのサイズが一致していることを確認してください。材料は標準サイズ(例:5x5 cm²、5x7 cm²)で市販されています。
ス
2. ポンジバッグの両面を等張塩化ナトリウム(NaCl)溶液に浸しますが、塩橋やボランティアへの滴りを防ぐために、過度の浸漬は避けてください。
   1. このステップはオプションです: 輪ゴムの代わりに包帯を使用するときに NaCl 溶液の漏れを防ぐために、電極とスポンジ バッグを非導電性のゴム スポンジ カバーの中に入れます。
      注: または、ゴム電極を導電性ペーストで覆い、参加者の頭に直接置きます (スポンジ バッグやゴム スポンジ カバーを使用しないでください)。

4. NEBS電極の配置(図1)

1. 運動皮質ホットスポットを示すヘッドマーキングを見つけ、その領域の周りの髪を分離します。
2. コンダクタンスを改善するには、電極を配置する前に、40〜50%のアルコールまたは皮膚準備ペーストを染み込ませた綿棒で頭のマーキングの周りの皮膚領域を優しくこすって、皮膚をきれいにします。肌を傷つけないでください!綿棒で余分な部分を取り除き、等張NaCl溶液で領域を再度洗浄します。その後、その部分を乾かします。
   注: ヘッドマーキングが見えるようにしてください。必要に応じてコメントしてください。
3. 目的のM1のヘッドマーキングの後に1つの電極を配置します(目的の手の反対側)。スポンジをできるだけ肌に直接触れさせます。刺激および/またはタスク実行中の妨害を避け、NEBSデバイスへの接続を容易にするために、電極ケーブルを参加者の背中に配置します。
   注:電極の下の髪は湿っているはずですamp。髪を過度に湿らせた場合は、紙またはハンドタオルを使用して過剰分を吸収してください。
   注:陽極tDCSの場合、関心のある運動皮質ホットスポットに配置された電極(興奮性の増加が望ましい)は、通常は赤いケーブルに接続されているアノードに対応します。カソード(通常は黒または青のケーブルに接続されています)は、反対側の眼窩上領域またはM1に配置されます(以下を参照)。従来、電極の配置は経頭蓋ランダムノイズ刺激(tRNS)でも同じですが、古典的なプロトコルでは、交流電流の流れによる極性特異性はありません。刺激設定に刺激オフセットが含まれている場合は、特定の配置が重要になる場合があります。
4. 片側 M1 刺激の場合、2 番目の電極 (陽極 tDCS の場合: カソード) を反対側の眼窩上領域 (EEG 10/20 国際システムの電極 Fp2 に対応) の上に配置します。ケーブルが参加者の背中の方を向いていることを確認してください。
5. 弾性包帯で頭部を内外側方向に円形に2回覆い、M1電極を安定させ、残りの包帯で頭を前後方向に円形に覆い、両方の電極を安定させます。
6. 絆創膏の端を粘着テープで固定します。
7. 参加者の首またはシャツに粘着テープでケーブルを固定します。
8. 電極ケーブルをNEBSデバイスに接続します。

5.

1. NEBSデバイスの刺激スイッチ。
2. 刺激タイプ(tDCSまたはtRNS)、強度(例:1 mA、1.5 mA、または2 mA)、持続時間(例:10〜40分)、ランプアップおよびダウン(刺激の開始から最大強度までの時間、通常は8〜15秒)、および刺激タイプに関連する追加要因(例:tRNSの周波数スペクトル)。
   ノート:従来、偽の刺激には、すぐに増加し、その後減少させることが含まれます。したがって、参加者は刺激を感じますが、刺激の持続時間は脳機能に永続的な影響を与えるのに十分ではありません。一部の NEBS デバイスには、研究固有の被験者コードを入力することで参加者と研究者を盲検化できる研究モードが含まれています。このコードは、刺激設定を自動的に決定します。あるいは、2人目の実験者が各セッションで刺激設定を設定し、刺激を行う実験者からのディスプレイを覆うこともできます。
3. NEBS に関連する潜在的な副作用について参加者に通知します。一般的な副作用には、電極の下のかゆみ/うずき、灼熱感、頭痛、不快感などがあります。灼熱感は、電極と皮膚の接触が不十分であることの兆候である可能性があります。
4. 刺激を開始します。
   注:皮質興奮性の変化を調査したレポートに基づいて、一般的な刺激持続時間は約10〜20分続きます(代表的な結果のセクションを参照)。経験的には、最大刺激時間は 40 分に設定されました。
5. 立ち上げと刺激中の刺激の連続性を確認します。インピーダンスが高すぎる場合、または電極が皮膚との接触が悪い場合、刺激は自動的に終了する場合があります。
   注:インピーダンスが高すぎる場合、または参加者が刺激中に不快感が増していると報告した場合は、たとえば、電極を刺激部位に固定するか、導電性媒体を追加することで、インピーダンスを下げるようにしてください。NaCl溶液は、頭に置いた後、スポンジに直接注射器を使用して添加できます。
   注:一部のデバイスは、安全上の理由から、刺激全体のインピーダンスを報告します。インピーダンスが特定のしきい値 (55 kΩ など) に達すると、NEBS デバイスがシャットオフする可能性があります。

結果

図1.異なるNEBS戦略のための電極モンタージュと電流方向。(A) 片側陽極経頭蓋直流刺激 (tDCS) の場合、陽極は目的の一次運動皮質の中心に配置され、陰極は反対側の眼窩上領域の上に配置されます。(B)両側運動皮質刺激の場合、陽極と陰極は運動皮質の上にあります。陽極の位置は、陽極tDCSの関心のある運動皮質を決定します。(C) 片側経頭蓋ランダム ノイズ刺激 (tRNS) の場合、一方の電極は運動皮質...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
NEBSデバイス(DC刺激装置プラス)	Neuroconn
電極ケーブルNeuroconn
導電性ゴム電極	Neuroconn		5x5 cm
穴あきスポンジバッグ	Neuroconn		5x5 cm
非導電性ゴムスポンジカバー	Amrex-Zetron	FG-02-A103	ゴムパッド 3"*3"
NaCl 等張溶液	B. Braun Melsungen AG	A1151	Ecoflac、0.9%
綿クレープ包帯	Paul Hartmann AG	931004	8x5m、テキスタイル弾力性
着テープ(Leukofix)	BSN 医療用	02122-00	2,5cm*5m
皮膚準備ペースト	ウィーバー	10-30
磁気刺激装置	マグスティム	3010-00	マグスティム 200
筋電図導電性ペースト	GE メディカル システム	217083
筋電図バイポーラ電極	例: Natus Medical Inc. バイキング 4
筋電図アンプ	例: NatusMedical Inc. Viking 4
EMG信号伝送用ケーブル	例:Natus Medical Inc. Viking 4
データ収集ユニット	Cambridge Electronic Design (CED)	MK1401-3	AD コンバーター
信号記録およびオフライン分析
Signal 4.0.9	Cambridge Electronic Design (CED)		ソフトウェア
非永久性皮膚マーカー	Edding	8020	1 mm, 青

粘ズ (用コンピューター