同時経頭蓋交流刺激および機能的磁気共鳴イメージング
2017年6月5日
経頭蓋交流刺激（tACS）は、その効果が完全には理解されていないが、脳振動の非侵襲的調査のための有望なツールである。この記事では、機能的磁気共鳴イメージングと同時にtACSを適用するための安全で信頼性の高いセットアップについて説明します。これにより、振動性脳機能とtACSの影響を理解することができます。
この実験プロトコルの全体的な目標は、経頭蓋電気刺激中に誘発される血中酸素レベル依存性活性の変化を測定することです。経頭蓋交流刺激と機能的磁気共鳴イマジンを組み合わせることで、認知神経科学における重要な疑問に答えることができる可能性があります。これらの技術を組み合わせる主な利点は、周波数固有の方法で神経振動を操作しながら脳機能を測定できることです。
この技術の意味は、異常な同期に関連する神経障害の診断と治療にまで及びます。この手法は、人間の視覚認知に関する洞察を提供するだけでなく、運動、行動、記憶などの他のシステムにも適用できます。一般に、この方法に不慣れな人は、ノイズフリーを確保し、同期実験をトリガーするために必要なセットアップの複雑さに苦労する可能性があります。
私たちがTCSに興味を持ったのは、TCSを意識的な知覚に対するすべての振動の原因を研究する方法と見なしたからです。MRI技師はIlona Pfahlertで、Paule Wunschがボランティアとして参加しています。MR スキャンおよび経頭蓋交流刺激に対する禁忌について、すべての被験者を事前にスクリーニングします。
被験者が到着したら、実験の詳細を説明し、インフォームドコンセントを取得します。巻尺を使用して、被験者の頭の鼻からイオンまでの距離を決定することから始めます。そして、頭のてっぺんから耳へと
。これらの長さの交点を、10-20 EEGシステムに従ってC-Z位置としてマークします。次に、電極のないEEGキャップを被験者の頭に置き、C-Zをマークされた位置に揃えます。次に、実験の一貫性を確保するために、すべての被験者に対して同じ配置を使用して電極の望ましい位置を決定し、マークします。
次に、アルコールとコットンパッドを使用して、頭皮のマークされたスポットとその周りの髪と肌をきれいにし、油分とヘア製品を取り除きます。次に、ゴム電極にゲルを広げ、各電極をこれらの場所にしっかりと押し付けて、電極から導電性ゲル、頭皮への完全な接触を最小限のインピーダンスで確認します。シールドLANケーブルとMRセーフケーブルを使用して、フィルターボックスを刺激装置とゴム電極に接続します。
次に、刺激装置の電源を入れ、インピーダンスをテストします。20キロオームを下回らない場合は、電極を頭皮に押し付けます。または、必要に応じて電極ゲルを追加します。
電極ゲルの被覆を電極とほぼ同じ表面積に制限し、その領域から余分なゲルを取り除くように注意してください。次に、刺激装置が数秒間電流を出力できるようにして、被験者に感覚体験に慣れさせます。このテストでは、チクチクする感覚を感じて耐えることができるかどうか、刺激中のホスフィンの程度と位置など、感覚知覚について尋ねます。
このとき、ケーブルを被験者のゴム電極に差し込んだままにし、刺激装置、予備のLANケーブル、外側と内側のフィルターボックスを外して、被験者がスキャナーに移動できるようにします。次に、外側のフィルターボックスをウェーブガイドを通るLANケーブルに接続し、ウェーブガイドの外側に残すケーブルをできるだけ少なくします。次に、刺激ケーブルを接続します。
また、刺激装置がプレゼンテーションコンピューターのトリガー出力に接続されていることを再確認してください。被験者に磁性材料がなく、MRI実験の準備ができていることを確認した後、被験者をスキャナールームに案内します。聴覚保護用の耳栓を用意し、被験者をスキャナーベッドに寝かせます。
実験中、被験者が横たわるのに快適な位置に電極ケーブルを平らに置き、次に枕を被験者の頭の周りと下に置きます。また、枕を被験者の足の下に置くと、快適さが得られ、動きが減ります。アラームボールとMRI安全応答ボタンボックスを提供し、ボタンを押すのに必要な動きが最小限になるように配置されています。
次に、被写体が正しい向きで投影スクリーンを見るように、鏡を取り付けたヘッドコイルを固定します。次に、ゴム電極からヘッドコイルへの電極ケーブルの自由端を、ベッドが移動しているときに引っかからないように仮止めします。スキャナーベッドを所定の位置に移動します。
次に、スキャナーボアの後端から、ゴム電極からの電極ケーブルをLANケーブルに接続する内側のフィルターボックスに接続します。スキャン中の過剰な動きを防ぐために、ケーブルとフィルターボックスをボアの右側にあるスキャナーベッドの手すりに沿ってテープとサンドバッグで固定します。次に、プロジェクタースクリーンをスキャナーボアの後端に配置します。
最後に、実験を開始する前に、刺激装置のインピーダンスを再度テストして、すべてのケーブル接続が適切に行われていることを確認してください。まず、被験者が応答ボタンを押したときにプレゼンテーション コンピューターが登録することをテストします。次に、1ミリメートルの等方性解像度で高解像度のT1強調解剖学的画像を取得します。
取得したら、この画像のコントラストとウィンドウ処理のレベルを低と高に調整して、スティミュレーターのセットアップから発生する可能性のあるノイズを視覚的に検出します。機能イメージングの取得中も、このモニタリングを続けます。次に、プレゼンテーション コンピューターで実験を開始して、スキャナー トリガーから開始し、刺激装置を開始してこのコンピューターの出力トリガーを待機します。
この時点で、FMRI の買収を開始します。FMRI実験中は、刺激装置をオンにして接続したままにして、刺激装置のオン状態とオフ条件の間の時間的な信号対雑音比の違いを回避します。また、刺激装置のディスプレイを監視して、実験の実行中に目的の時間に電流が送られることを確認します。
スキャンが完了したら、ゴム電極に接続されているケーブルから内側のフィルターボックスを抜きます。被験者がスキャナーから出たら、電極を取り外して、被験者が髪を自由に洗えるようにします。この図は、中央交差固定中の太字信号に対する 16 ヘルツ CZOZTACS の電流強度の影響をテストした結果を示しています。
統計的に有意なクラスターの信号のイベント関連平均が示され、電流強度が増加すると信号への影響が大きくなります。ここでは、現在の強さに特化したTスコアマップが、効果の地域的な特異性と、現在の強さの増加に伴う大胆な活動への影響の増加を示しています。この図は、視覚知覚課題におけるTACS効果の周波数依存性を検定した代表的な結果を示しています。
この概略図は、視覚的に提示された実験のタイミングと、中央交差固定のブロック間のTACS周期を示しています。TACSの条件と周波数効果の相互作用マップ、およびクラスターの事後試験では、頭頂葉皮質における周波数特異的な影響が示され、10ヘルツのTACSが減少し、60ヘルツの信号が増加します。これらのTスコアマップは、60ヘルツのTACが頭頂葉を超えて一部の後頭部および前頭葉を含むように広がる特定の効果を示しています。
この実験をマスターすると、実験計画の長さにもよりますが、最短で 2 時間で完了します。この手順を試行する際には、刺激装置がMRI取得時間と適切に同期していることを確認することが特に重要です。このビデオを見れば、TACS FMRIを組み合わせた実験の実施方法について十分に理解できるはずです。
概要
この記事では、脳の振動を調査するために経頭蓋交流電流刺激（tACS）と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を組み合わせる方法を提示しています。このプロトコルは、刺激中の血中酸素レベル依存性活性の変化を測定することで、認知神経科学の理解を深めることを目的としています。
主要な研究構成要素
科学の領域
- 神経科学
- 機能的イメージング
- 経頭蓋刺激
背景
- tACSは脳の振動を研究するための非侵襲的技術です。
- tACSとfMRIを組み合わせることで、脳機能のリアルタイム測定が可能になります。
- この方法は、認知プロセスや神経学的障害に関する洞察を提供できます。
- 正確な結果を得るために機器をセットアップする際に課題があります。
研究の目的
- fMRI中の脳活動に対するtACSの影響を測定すること。
- 神経振動と認知機能の関係を探ること。
- 視覚認知やその他の認知システムの理解を深めること。
使用された方法
- 被験者の準備とインフォームドコンセント。
- 10-20 EEGシステムに従った電極の配置。
- MR安全機器を使用して電極と刺激器を接続すること。
- tACSを投与しながらfMRIスキャンを実施すること。
主要な結果
- 大きなノイズ干渉なしにtACSとfMRIのセットアップに成功。
- 刺激中の脳活動変化の測定。
- tACSが認知プロセスに与える影響についての洞察。
- 神経学的障害の診断と治療への潜在的な応用。
結論
- tACSとfMRIの組み合わせは、認知神経科学において価値あるツールです。
- この方法は、脳機能と振動の理解を深めることができます。
- 様々な認知領域におけるその潜在能力を完全に探求するためには、さらなる研究が必要です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Simultaneous transcranial alternating current stimulation (tACS) and functional MRI (fMRI) enables direct, frequency-specific modulation and measurement of brain activity in real time. This integration advances mechanistic de-risking and predictive confidence for neuro-targeted therapeutic discovery, particularly where oscillatory brain function is implicated. The approach supports early-stage target validation and translational continuity for CNS portfolio assets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of oscillatory mechanisms underlying cognitive and neurological phenotypes.
- Supports functional target validation by linking stimulation parameters to BOLD signal changes.
- Facilitates mechanistic de-risking for neuropsychiatric and neurodegenerative targets.
- Provides quantitative readouts for hypothesis-driven portfolio triage.
Screening & Assay Development
- Establishes validated, reproducible protocols for brain stimulation and imaging integration.
- Delivers quantitative BOLD signal outputs for downstream compound or intervention screening.
- Supports assay standardization across frequency, current, and state-dependent conditions.
- Enables reliable evaluation of neuroactive agents in controlled, artifact-minimized settings.
Translational & Preclinical Research
- Aligns stimulation-induced brain activity changes with disease-relevant neural oscillations.
- Bridges discovery findings to preclinical models of cognition, behavior, and memory.
- Informs risk-adjusted advancement of CNS candidates based on translational biomarkers.
- Supports predictive de-risking for clinical translation of neuromodulatory interventions.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the interface of early discovery, target validation, and translational research for CNS programs.
- Discovery Biology: Provides direct hypothesis testing of oscillatory mechanisms and their modulation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative BOLD measurements for condition comparison.
- Analytics: Enables statistical mapping of current and frequency-dependent brain activity changes.
- Translational Research: Connects stimulation effects to disease-relevant neural signatures and preclinical endpoints.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for mechanistic studies across multiple CNS indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Standardizes complex neurostimulation-imaging workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital allocation for neurotherapeutic portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS assets based on functional biomarker data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, electrophysiology, and MR safety protocols.
- Demands MR-compatible stimulation hardware and artifact-minimizing infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of electrode placement and stimulation parameters.
- Adaptation across cognitive, motor, and behavioral paradigms may require protocol optimization.
- Complexity of synchronized setup and artifact control must be managed for reliable outputs.
