経頭蓋直流電気刺激と同時機能的磁気共鳴画像

本実験の全体的な目的は、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の同時撮像下における経頭蓋直流電気刺激（tDCS）の実施方法を解説することです。刺激がヒトの脳機能にどのような影響を与えるかを評価するため、まず第一のステップとして、MRI、適合ケーブル、電極、およびフィルターボックスを含む必要な装置を準備します。第二のステップとして、tDCS装置をスキャナーの内外に設置します。

次に、被験者のスクリーニングを行い、スキャナー内でのtDCSの準備をします。被験者をスキャナーのボア内に移動させた後、刺激を開始し、fMRI実験を開始します。最終的に、A-T-D-C-S中にスキャンされた被験者の結果を、別途実施したシャムtDCSセッションで得られた結果と被験者内計画で比較し、刺激が脳の機能的活動に与える影響を明らかにします。

純粋に行動学的なtDCSプロトコルと比較した際の本手法の主な利点は、刺激効果の根底にある神経メカニズムの研究が可能であることです。さらに、EEGなどの他の神経イメージング技術と比較して、fMRIは優れた空間分解能を提供し、電極位置の正確な検証も可能です。fMRIとtDCSを併用することで、健康な脳におけるtDCS作用に関連する神経メカニズムだけでなく、脳卒中や認知症などの様々な病態におけるメカニズムを解明できる可能性があります。

tDCSが脳内でどのように機能するかを理解することは、最終的にこの手法の臨床応用を改善することにつながる可能性があります。多くの重要なステップを、時間的に敏感な方法で正しい順序で実行する必要があるため、これらの手順を適切に計画し習熟しておくことが、実施を成功させるために不可欠です。適切に実行されれば、この手法が被験者に与えるリスクは最小限に抑えられます。

ただし、研究者は確立されたMRIおよびtDCSの安全ガイドラインに従う必要があります。実験デザインは、tDCS適用下の5分間の安静時シーケンスと11分間の顕在的意味的単語生成タスクの間に行われる2つのfMRIセグメントで構成されています。20分間のtDCSは、スキャン開始の約1〜2分前から開始され、2つの機能的スキャンの全期間、およびスキャン間の短い休憩と教示の時間もカバーします。

安静時およびタスクfMRIの後に、追加の構造スキャンを取得します。シャム刺激セッションでは、安静時fMRIの前に30秒間のtDCSを行い、言語タスクを含む残りのプロトコル期間中はtDCSを行いません。刺激提示ソフトウェアを使用して、さまざまな意味カテゴリーの視覚画像をスキャナー内のスクリーンに投影します。投影は、コンピューターに接続されたプロジェクターとミラーシステムを介して行われます。

発話による回答を伝送するために、MRI対応のマイクを使用します。tDCS装置のプログラムを設定し、1 mAの定電流を20分間流すように設定します。刺激装置が十分に充電されていることを確認してください。充電が不十分な場合、実験中に電源が切れる可能性があります。テキストプロトコルに記載されている通り、tDCSに必要なすべての装置、ケーブル、および電極を組み立てます。

MRIコントロールルームにて、スキャナールームへケーブルを通すために使用されるRFフィルタチューブの近くに、外部フィルタボックスを配置します。外部フィルタボックスには明確にラベルが貼られていることに注意してください。内部フィルタボックスと外部フィルタボックスを混同してはいけません。

次に、スティミュレーターケーブルを使用して、スティミュレーターをアウターボックスに接続します。インナーフィルターボックスとアウターフィルターボックスを接続するために必要なボックスケーブルの長さを測定し、スキャナールームの壁に沿って配線できるよう十分な余裕を持たせてください。ボックスケーブルをRFフィルターチューブに挿入し、スキャナールーム内にあるアウターフィルターボックスに接続します。

内部フィルターボックスをスキャナーボアの後端に配置し、粘着テープで固定します。ボックスのケーブルを粘着テープで壁面に固定し、スキャナー内部のフィルターボックスに接続します。この際、RF加熱を誘発する可能性があるため、ケーブルにループができないように注意してください。ペースメーカー、体内の金属、閉所恐怖症などのMRIおよびTDCSの禁忌事項について、被験者のスクリーニングを徹底的に行います。

手順を説明した後、従来のtDCSセットアップと同様にインフォームド・コンセントを得て、電極配置の準備を行います。参加者の皮膚に既存の病変がないか確認し、髪の毛をどかします。その後、皮膚の状態を改善するためにアルコールで皮膚を洗浄します。

スポンジポケットを生理食塩水で浸した後、非強磁性体の跡が残るペンを用いて、MRI適合電極をポケットに挿入します。まず、被験者の頭部のT3、F3およびF7、C3の交点をマークし、次にF7とF3の中点をマークします。さらに、これら2つの点を結ぶ線の中央をマークし、この位置に陽極を配置します。

次に、カソードを右眼窩上方に配置し、両方の電極をゴムバンドで固定します。スキャナーの外で最終的な安全確認を行った後、被験者をスキャナー室へ案内し、スキャナーの近くまで移動させてから、電極ケーブルを内部フィルターボックスに接続します。続いて、スティミュレーターの電源を入れ、例えばスティミュレーターの右上ボタンと左下ボタンを同時に押すことで、インピーダンスを確認します。

ケーブル長やフィルターボックスの抵抗が高いため、本手順におけるインピーダンスは通常、標準的なT DS Sプロトコルよりも高くなります。そのため、スキャンを開始する前にインピーダンスを確認することが極めて重要です。インピーダンスが制限値に達した場合、刺激装置は自動的に停止します。考えられる対処法としては、電極が頭皮に接触しているか確認すること、皮膚を再度洗浄すること、またはスポンジに生理食塩水をさらに追加することが挙げられます。

被験者をスキャナーのガントリー上に配置します。電極が正しい位置にあることを確認してください。その後、電極ケーブルをヘッドコイルの左下部分に通し、ケーブルがガントリーに引っかからないように固定します。

ガントリーを移動させます。その後、ヘッドコイルを閉じ、緊急停止ボタンを被験者に渡します。次に、被験者をスキャナー内へスライドさせて導入します。

次に、スキャナーの後端から電極ケーブルを取り出し、内部フィルターボックスに接続して室外へ出ます。スキャナーのインターホンを使用して、被験者にスキャンセッションの開始を伝えます。収集期間の終了後、スキャンコンソールを使用して構造的ローカライザースキャンを開始します。

ローカライザースキャンをダブルクリックし、マウスの右ボタンを押したまま左右に動かしてコントラストを調整し、高周波アーチファクトがないか確認します。スキャナーのインターコムを使用して、被験者に刺激が始まること、および短時間、頭皮にピリピリとした感覚があるかもしれないことを伝えます。その後、最初の機能的スキャンに関する指示を同様に繰り返します。

安静時スキャンの際は、5分間のスキャン時間中、目を閉じておくように参加者に指示してください。また、できるだけ体を動かさず、特に何も考えないように伝えます。あわせて、プロジェクターが手動でオフになっていることを確認してください。

静止状態機能スキャン開始の約1〜2分前にTDCSを開始します。スキャナーコンソールを使用して、静止状態シーケンスをロードしてください。静止状態シーケンスをダブルクリックして視野（FOV）を開き、脳全体をカバーするように位置を調整し、前後交連とおよそ一致させます。

それでは、最初のスキャンを開始します。二重盲検法を用いる場合は、安静時シーケンスの実行中に、別の研究者が実験全般にわたってインピーダンスをモニターしてください。次に、言語タスクである2番目の機能的イメージングシーケンスをロードし、スキャン間の所要時間を短縮するため、スキャナーコンソールを使用して前述と同様に視野（field of view）を調整します。

安静時シーケンスの終了後、言語タスク中の実験刺激を視覚的に提示するため、プロジェクターの電源を入れます。プレゼンテーションソフトウェアのアイコンをダブルクリックし、言語パラダイムをロードします。スキャナーのインターコムを使用して、タスク関連fMRIパラダイムの指示を繰り返し伝え、刺激およびfMRI実験の終了時にタスクを開始します。

計画されていた構造スキャンを継続します。実験の終了時に、被験者をスキャナーボアから出す前に、電極ケーブルを内部フィルターボックスから外します。その後、ヘッドコイルを取り外し、被験者に起き上がってもらい、注意深く電極を取り除いてもらいます。

意味的単語生成タスク中のfMRI研究において、A-T-D-C-Sを受けた若年成人および高齢成人の両群では、シャム刺激中の同一被験者と比較して、下前頭回腹側部の活動低下が認められました。左下前頭回背側部およびfMRIにおいて、有意な差は見られませんでした。A-T-D-C-S中に実施された安静時スキャンを、同一の被験者18名が別のセッションで行ったシャムtDCS中の安静時スキャンと比較した結果、A-T-D-C-S中にコネクティビティが向上した脳領域が赤色で、低下した領域が青色で示されています。

将来的には、この新しい手法を臨床集団に適用することで、既存の介入の有効性を高めたり、科学的根拠に基づいた新しいプロトコルを開発したりできる可能性があります。TT CSの根底にある効果への理解を深めるために、これらの手法の優れた時間分解能を活用して、EEG TT Sなどの他の手法で補完することも考えられます。このビデオを視聴することで、tDCSとMRIを併用する際の技術的要件、実施方法、および安全性に関する考慮事項について十分に理解できたはずです。