経頭蓋交流電流刺激オンライン結合による一次運動野の経頭蓋磁気刺激の効果

本手順の全体的な目的は、新規のオンライン併用アプローチを用いて、単一経路経頭蓋磁気刺激による経頭蓋交流電気刺激の持続的効果への変調を評価することである。経頭蓋電気刺激は、異なる電流波形を通じて神経細胞の状態に影響を与えるニューロモジュレーション技術である。これは、脳の運動機能および認知機能を調査するために、神経科学において一般的に用いられている。

最も一般的に用いられる手法は、ニューロン活性に変化を誘導できる直流刺激、ランダムノイズ、および交流刺激に基づいています。これらはニューロンの内外双方に作用し、静止膜電位を変化させ、その結果としてニューロンのシナプス効率を修飾します。tACSを用いることで、特定の周波数範囲において正弦波状の外部振動電位を印加することが可能になります。

内因性の振動活動に対するいわゆる同調効果を誘導することにより、本研究では、一次運動野への持続的な刺激中にtACSと単一パルスCMSを組み合わせた新しい手法を導入します。この手法により、単一パルスTMSによって誘発される運動誘発電位を用いて、一次運動野に対する交流刺激のオンライン効果を検証することが可能になります。

一次運動野の刺激によるオンライン結合TACS-TMSプロトコルを実施するために必要な一連の装置について説明します。装置リストには、BrainStimなどの交流電流を生成できる電気刺激装置が含まれます。これは、5〜7 cmサイズの生理食塩水に浸した2つのスポンジ電極によって接続されます。

皮膚への刺激感を最小限に抑えるため、刺激セッション全体を通してインピーダンスを10 kiloOhm以下に維持できるよう、電極を生理食塩水で十分に飽和させます。標的電極は、専用の弾性ストラップを用いて一次運動野のホットスポットに相当する頭皮上に配置し、参照電極は、いわゆるモノポールモンタージュとして粘着テープを用いて同側の肩上に配置します。ヒトにおいて、異なる周波数の振動は、神経ネットワーク活動のさまざまな状態の基礎となる、異なる行動および認知プロセスを反映しています。

通常、脳波測定または脳磁図測定によって測定されます。ヒトの脳における振動は、超低速から超高速まで多岐にわたります。これらは通常、同時に存在しており、互いに変調させたり相互作用したりすることがあります。

しかしながら、振動活動と脳プロセスの間の関連性は、常に相関的手法によって確立されてきました。したがって、脳振動が皮質情報処理における根本的なメカニズムを直接的に反映しているのか、あるいは単なる随伴現象に過ぎないのかという問題は、依然として未解決のままです。tACSを用いることで、周波数特異的な方法で脳振動を因果的に変調させることができ、ひいては安静時、知覚、および認知プロセスに関連する生理学的な神経活動に影響を与えることが可能になります。

BrainStimデバイスを用いてTCSプロトコルを設定するには、まずバッテリーの状態を確認します。次に、専用ソフトウェアを使用して刺激パラメータを操作します。操作対象は、周波数、持続時間、および電流の波形です。

そして、Bluetooth接続を介してデバイスに転送します。ソフトウェアを使用して新しいセッションを開き、新しいプロトコルまたは刺激を管理します。例えば、プロトコル名をBetaとします。

刺激周波数を設定します（本例では20Hz）。波形を正弦波に調整し、刺激プロトコルの総時間（例：600秒）を設定します。最後に、刺激強度を1milliAmpに設定し、オフセット、フェードイン、フェードアウト、およびフェードはすべてゼロに設定します。その後、デバイスのBluetooth機能を有効にし、ソフトウェアからスティミュレーターにプロトコルをアップロードします。

次に、プロトコルがデバイスに正常に転送されたかを確認します。続いて TMS の手順に移ります。まず、単回パルス TMS による運動誘発電位を測定するため、表面 EMG 用の電極を配置します。

皮膚インピーダンスを10 kΩ以下に抑えるため、すべての電極の下の皮膚をクリーニングスクラブで清浄します。本手順では、第一背側骨間筋を用い、bipolar belly tendon montageを採用しました。活動電極を筋肉に、参照電極をその2 cm遠位の骨上に、そして接地電極を腕のより近位にそれぞれ配置します。

運動誘発電位は、コネクタボックスを介してBrainAmp DCアンプに接続された銀・塩化銀電極を用いて測定します。TMSコイルを適切に配置するため、フレームレスTMSナビゲーションシステムであるLocalEye TMS navigatorを使用します。まず、被験者の前頭部にトラッキングセンサーを配置します。

TMS刺激には、二相性モードに設定した磁気刺激装置と、H型75 mmのスイングレッド刺激コイルを使用します。次に、被験者の構造的T1強調MRI画像を用い、ナビゲーションシステムによって3D MRI頭部モデル上に被験者の頭部の現在の位置を投影します。その後、頭部の一次運動野、いわゆるモーターノブ領域にコイルを正確に配置します。

次に、単回パルスTMSによるモーターロック電位のテストを開始します。研究対象の手モデルの皮質表現における最適なホットスポットが見つかったら、この位置をマークし、その後のTCSターゲット電極配置に利用します。頭部中心の位置に合わせて、頭部の1本目の弾性ストラップを慎重に調整します。

次に、2本目のストライプを用いて標的電極の位置を決めます。TCS電極を頭蓋骨と同側の肩の両方に配置したら、それらを刺激装置に接続してください。刺激セッションを開始する前に、目視で標的電極の位置がマークしたホットスポットの中心にあることを確認してください。

次に、ニューロナビゲーションを用いて強度と方向を再調整し、ホットスポットを再度特定しながら、TCS電極の上にTMSコイルを配置します。この段階で、標的電極の厚みを考慮に入れ、この新しいTCS-TMS併用モンタージュにおける安静時運動閾値の測定方法を決定します。実験中の刺激強度は、安静時運動閾値の110%に設定します。

ほとんどのTCS研究では顕著なオンライン効果が示されていますが、同時に、刺激停止後のTCSによる長期的な効果についての明確な証拠はまだ得られていません。文献において、オンラインTCSを使用した群に関して弱く不明確な後続効果を示した研究はわずかしかありません。EGについても同様に、TCSの後続効果に関する証拠は明確ではありません。

生体内（in vivo）において、活動のスパイクが異なる駆動周波数と同調することが示されており、神経発火が電気的に印加された電場によって引き込み（entrained）され得ることが示唆されています。したがって、動物モデルでは、弱強度の正弦波TCSが広範な皮質神経パルスの放電周波数を引き込みます。ヒトにおいても、オンラインTCSがEGシグネチャーに引き込み効果を誘発し得ることが最近の証拠によって示されました。

しかしながら、TCS EGアプローチには依然として疑問が残っています。第一にAC誘導によるアーティファクトが発生すること、第二に刺激領域のEG信号を直接的にキャプチャすることが現実的に不可能であるためです。このようなTCS-TMS複合モンタージュを用いることで、特に感覚運動系において、一次運動野へのシングルパルスTMSをプローブとして使用し、皮質脊髄出力に対するオンラインの周波数特異的なTCS効果を観察することが可能になります。したがって、3秒から5秒のランダムな間隔でオンラインTMSシングルパルスを投与しながら、20Hzの電気刺激プロトコルを開始してください。

例えば、10Hzまたはシャム刺激と比較して、オンラインでの20Hz TCS中に運動誘発電位の振幅が増加することを示すことができます。この図では、TMSコイルを標的となるTCS電極の上に配置した実験デザインの例が示されています。この実験の標的となる赤色の電極は、左運動野と右頭頂野に配置されています。

青色の基準電極を、国際10-20電極配置法のPZ位置に相当する正中線上に配置します。コイルを、左一次運動野上に配置したスポンジ電極の上に固定します。対象となるヒトの運動野は約20Hzで活動しています。

共同研究者らは、20Hzでの刺激適用中に皮質脊髄路の興奮性がオンラインで上昇することを示し、安静時のヒトにおける20Hz活動の決定的な証拠を提示しました。グラフのY軸は、TCS刺激が継続している間にTMSシングルパルスで測定されたMEP振幅の平均値を表しています。X軸は、異なる刺激周波数を表しています。

運動皮質に20Hzで投与したTCSのみが、皮質脊髄路出力を増加させました。一方で、他の周波数での刺激や、頭頂皮質への刺激では効果が見られませんでした。これは、TACSとTMSを組み合わせたアプローチによって測定された、運動皮質に対するTCSのオンラインでの周波数特異的な効果を示す初めての証拠となりました。

TMSとtACSを併用する根拠は、それぞれが伝達する情報が異なる点にあります。一次運動野に対する対側手の運動誘発電位を記録することで、tACSによる継続的な影響をアーチファクトなしで確認することができます。これにより、異なる周波数で与えられる電気刺激中の皮質興奮性の変化を、運動誘発電位を用いてアーチファクトのない形式で正確にモニタリングすることが可能になります。

この新しいアプローチは、他のあらゆる形式の経頭蓋電気刺激によるオンライン効果を検証するために利用可能です。