Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: 学ぶtACSとfMRIを組み合わせた脳振動測定法。神経振動を周波数特異的に操作しながら脳機能を計測し、認知神経科学の理解を深め、神経疾患の診断と治療への応用可能性を示します。

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私たちは機能的イメージング実験の際の技術援助のためにIlona PfahlertとBritta Perl、優れたコンピュータ支援のためにSeverinHeumüllerに感謝します。この研究は、Herman and Lilly Schilling財団および脳のナノスケール顕微鏡および分子生理学のセンター（CNMPB）によって支持された。

すべての実験を制度倫理委員会のガイドラインに従って実施する。この原稿で言及されたすべての研究について、すべての手順はヘルシンキ宣言に従って実施され、ゲッティンゲン大学メディカルセンターの地方倫理委員会の承認を受けた。 1.実験前の刺激とコンピュータ設定<ol><li> 刺激装置のセットアップ 注：このfMRI実験に使用される刺激装置は、MR安全内部フィルタボックス、外部フィルタボックス、安全抵抗器、結合ケーブル、およびMR安全材料を備えた特別に設計された磁気共鳴（MR）適合システムである。指示書の中には、製造元の指示に従っているものがあります。これらは、別の刺激装置を使用する際には異なる場合がありますので、製造元から提供された装置の指示に従ってください。 図1Aは、刺激装置この実験装置で使用される構成要素。 <ol><li>刺激装置のメニューをナビゲートして、所望の実験パラメータをプログラムする（詳細については、ユーザーズマニュアルを参照）。例えば、刺激周波数が10Hzの場合、プログラムは、1秒の立上り/立下り時間、刺激の30秒間の300回の正弦波サイクル、1,000μAに等しい電流強度、および反復トリガモード別段の記載がない限り、実験に用いた。その後、実験が実行されるたびに、プログラムがロードされるように保存します。 </li><li> BNCケーブルを使用して、刺激提示コンピュータのトリガ出力を刺激装置に接続します。 </li><li>スキャナルーム内部から無線周波数（RF）導波管を介してシールドされていないローカル・エリア・ネットワーク（LAN）ケーブルを非磁性でシールドして置きます。共振容量結合を避けるために、ケーブルにループがなく、部屋の壁に沿って配置され、マグネットボアの背面と右側のスキャナーベッドレールに沿って配置されていることを確認してください内側のフィルタボックスの位置につながります（ 図1Cおよびケーブルの位置についてはステップ2.4の安全上の注意を参照してください）。断続的にテープの長さに沿って配置してケーブルを固定します。 </li></ol></li><li>視覚刺激プログラムを、スキャナ制御コンピュータとは別の指定されたプレゼンテーションコンピュータにロードする。 図1Cに示すように、プレゼンテーションコンピュータを光 - 電気変換器を介してスキャナトリガ出力に接続し、シールドケースまたは磁石室の外側に配置された出力装置（ すなわちプロジェクタ）に接続する。スキャナボア内のスクリーンに投影を向けるには、非磁性ミラーを使用します。 </li></ol> 2.件名の到着と準備<ol><li> MRスキャンの禁忌（ 例：金属インプラントなし、閉所恐怖症なし、実験特有の前提条件）の被験者をスクリーニングするtACS（発作歴、慢性頭痛、妊娠歴など） 26,27 。 </li><li>被験者が到着したら、fMRIの実験の詳細について被験者に指示し、予想される経験（ 例えば 、tACSからの視覚刺激、チクチクまたは聴覚、特別な作業指示）を説明する。 </li><li> 10-20脳波システムおよび刺激装置の準備に従って電極を配置する。 <ol><li>テープメジャーを使用して、頭の上のネイションからイオンまで、耳から耳までの距離を測定します。両方の長さの交点は、10-20脳波システムによると、Czの頭部の位置を示します。マーカーを使って頭皮にCzのスポットをマークします。 </li><li> Czを被験者の頭皮のマークと揃えて、電極のない脳波キャップを被験者の頭部に置き、電極の所望の位置を決定し、それらに印を付ける。 NOTE：すべての実験者がすべての実験を通じて一貫性を確保するために同じ配置システムを使用することが重要です。経頭蓋刺激実験で一般的に使用されている10-20脳波システムは、正確な電極配置を維持するための具体的なガイドラインを持っている26,28 。 </li><li>アルコールと綿のパッドを使用して、被験者の頭皮上の印をつけた斑点とその周辺の毛や肌をきれいにします。油や毛髪製品を取り除く。 </li><li>ゴム製の電極の上にゲルを広げ、各電極を被験者の頭皮上のマークされた清潔な場所にしっかりと押し込み、電極から導電性ゲルへの完全な接触を最小限のインピーダンスで頭皮に確実にします。 </li><li>スペアシールド付きLANケーブルを使用して、 図1Aに示すように、フィルタボックスとMRセーフケーブルを刺激装置とラバー電極に接続します。 </li><li>刺激装置をオンにし、インピーダンスをテストします（ユーザーのマニュアルを参照）。インピーダンスが20kΩ以下でない場合は、このインピーダンスガイドラインが満たされるまで、必要に応じて頭皮の電極を押すか、電極ゲルを追加してください。 </li><li>インピーダンスが20kΩ以下になると、刺激装置に数秒間電流を出力させて、被験者に知覚体験を習得させます。この試験中に、刺激の感覚が存在し、耐えられるかどうか、刺激中のリンケンの程度または位置など、知覚の知覚について被験者に尋ねる。 </li><li>この時点で、被験者はスキャナベッドに移動する準備が整う。被験者のゴム製の電極に電極ケーブルを接続したまま、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ます。 </li><li>外部フィルタボックスを導波管を通ってMRスキャナに接続されたLANケーブルに接続し、できるだけ導線の外部にほとんど露出していないLANケーブルを残してください（ 図1B参照）。接続する刺激器ケーブルを使用して外部フィルタボックスに刺激器を接続し、刺激器がプレゼンテーションコンピュータトリガ出力に接続されていることを再確認する。 </li></ol></li><li> MRスキャナ内で被写体を準備する。 注： 図1Cは、実験中の完全なtACS-fMRIセットアップを示しています。ケーブルと内部フィルタボックスを指定したとおりに配置することが重要です。電極ケーブルはスキャナベッドの平面に対して約90°の角度に配置し、内部フィルタボックスはスキャナの右側にあるスキャナベッドレール上に置きますボア。これを怠ると、電極ケーブルの安全回路が損傷する可能性があります。この構成は、オープンおよびクローズドRFコイルの両方に適用されます。 <ol><li>被験者に磁性材料がなく、MRI実験の準備が整ったことを確認した後、被験者をスキャナ室に導く。 </li><li>聴覚保護用の耳栓を被験者に与え、被験者に嘘をつけるよう指示するスキャナーベッド上に、枕の周りと下を脚の下に置いて快適にし、動きを減らします。被験者の頭の後ろに枕を置くときは、電極ケーブルを平らにし、被験者が実験の間に横たわって快適な位置に置くように特別な注意を払う。 </li><li>アラームボールとMRセーフ応答ボタンボックスを被験者に与えて、実験で反応するボタンを押すために最小限の動きが要求されるようにします。 </li><li>被験者が投影スクリーンを正しい向きで映し出すことができるように、ミラーを取り付けて被験者の頭にRFヘッドコイルを固定します。 </li><li>ベッドが動いているときにゴム製の電極から出てくる電極ケーブルの自由端を頭部コイル内の場所に一時的に固定してください。 図1Dは、枕、ミラー、およびtACSケーブルをヘッドコイルに配置した被験者の頭部をbイメージングのためにベッドを中央ヘッドコイルに移動させる。フィルタボックスは、スキャナベッドが測定位置にあるときにヘッドコイルに対してどの位置に座らなければならないかの例として、スキャナベッドレール上に配置されて示されている。 </li><li>スキャナのベッドを測定位置に移動します。スキャナーボアの後端から、 図1Cに示すように、ラバー電極の電極ケーブルをLANケーブルに接続されている内部フィルターボックスに接続します。スキャン中に過剰な動きを防ぐために、テープとサンドバッグでボアの右側のスキャナベッドレールに沿ってケーブルとフィルタボックスを固定します。スキャナボアの後端にプロジェクタのスクリーンを置きます。 </li><li>ケーブル、フィルタボックス、および刺激装置間のすべての接続が適切に行われるように、刺激装置のインピーダンスをもう一度テストします。 </li></ol></li></ol> 3. MRスキャンと実験<ol><li>スキャンが始まる前に、プレゼンテーションコンピュータは、被験者が応答ボタンを押すと登録する。 </li><li> エコー時間（TE）：3.26ミリ秒、繰り返し時間（TR）：2,250ミリ秒、反転時間：900ミリ秒、フリップ角：9°、高分解能のT1加重解剖学的データを取得する。 1×1×1mm 3の等方性解像度）。 <ol><li>取得後、解剖学的MRIのコントラストとウインドウを下限と上限に調整して、刺激装置の設定に起因する可能性のあるスキャン中のノイズを視覚的に検出します。機能イメージ取得と同時にノイズの視覚的監視を継続します。 </li></ol></li><li>プレゼンテーションコンピュータで実験を開始し、スキャナトリガを開始し、プレゼンテーションコンピュータの出力トリガを待つために刺激装置を起動します。刺激装置の上に一時的な信号対雑音比（tSNR）の差を避けるために、刺激装置をfMRI実験の上に置いて接続してくださいオン/オフ条件22 。 </li><li> fMRIスキャンを開始する（ 例えば 、2次元T2 *加重勾配エコーエコープラナーイメージング、TE：30ms、TR：2,000ms、フリップアングル70°、厚さ3mmの33スライス、スライス間のギャップなし3×3mm 2の面内分解能、7分間の走査のための210倍量）、プレゼンテーションコンピュータ上で実験の開始を誘発する。刺激装置のディスプレイを監視して、実験中に所望の時間に電流が送られることを保証する。 </li></ol> 4.実験結論<ol><li>実験が終了してスキャンが終了したら、スキャナーベッドを動かす前に内側のフィルターボックスをゴム製の電極に接続されたケーブルから抜き、スキャナーから被写体を取り出し、電極を取り外し、髪を洗い流してください。 </li><li>刺激装置の電源を切り、プラグを差し込んで充電します。ラバー電極を水で拭いてください使用する。 </li></ol>

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</ol>

著者は何も開示することはない。

ここでは、MR互換のtACSシステムを使用したtACS-fMRI同時のセットアップと実行の手順について説明しました。この手順のいくつかのステップでは、特に対象設定に関して特に注意する必要があります。この実験で使用されたMR適合性刺激装置およびセットアップは、ケーブル、フィルタボックス、および電極のみで約12kΩの最小インピーダンスを有し、製造者は、電極を被験者に接続して20kΩの最小インピーダンスを推奨する。この要件は、刺激剤製品および製造業者に依存する。被験者に電極を​​適用するとき、インピーダンスが高すぎる場合、電極を押すことを除いてこの値を減少させるためにいくつかのステップをとることができる。例えば、電極を頭皮に押し付ける前に、まず頭皮上のマークされた清潔な場所を毛髪を含む電極ゲルで覆う方が簡単である。これにより、非導電性材料間の電流の広がりが確保される。しかしながら、電流拡散を所望の刺激領域に向けるために、電極の被覆範囲を電極とほぼ同じ表面領域に制限するように注意する。電極間の電流シャントが過剰な電極ゲル接触によって起こる可能性があるため、電極が近接している場合は特に注意してください。電極が頭の後ろにあって被験者が直接寝そべっている場合は、枕を頭の後ろに置いて実験を続けると被験者が不快にならないように注意する必要があります。この不快感は当初は被験者にとって問題ではないかもしれないが、経験は痛みが時間の経過とともに増加していることを示している。さらに、すべてのfMRI実験と同様に、被験者の動きは問題の混乱を招くため、被験者はすべてのケーブルおよび電極を適所に快適に着用することが重要です。 考慮すべき設定の最も重要な側面は、イメージアーチファクトおよび歪みを誘発する可能性のあるMR環境に送信する。実験に先立って、全体のtACS設定が適切に行われた状態で画像アーチファクトをテストすることが賢明です。通常の球状ファントムを使用して、電極ゲルで電極を固定することができる。電流が電極間を移動するための何らかの方法を提供することが重要であり、電極の一方の電極から他方の電極への経路にかなりの量の電極ゲルを塗布することによって達成することができる。周波数と電流などのパラメータの変化を含め、被験者の計画どおりに実験全体を実行します。走査セッション中に、MRスキャナ制御コンピュータ上の画像ビューア内の極端なコントラストおよびウィンドウを調整することにより、ノイズをより簡単に視覚的に検出することができる。実験の前と途中でノイズを視覚的に監視する場合、ノイズが、強度の高い画像、信号を測定しないパターン、時間の経過とともに変化する強度のスパイクとして発生する場合があります。 RF励起によるfMRIデータの取得nパルスをオフにすると、実際の画像信号を取得せずにスキャン中のスキャナ環境ノイズに関する情報が得られます（ 図2参照）。このノイズテストは、すべてのスキャンセッションで実行できます。雑音にばらつきがある場合は、すべてのケーブルが完全であり、刺激装置、電極、およびフィルタボックスによく接続されていることを確認します。ループ内にケーブルを置く必要はありません。壊れたケーブル、ゴムに金属汚染物質（MR互換品として販売されているにもかかわらず）を有する電極、および接続不良などにより、ノイズまたは歪みが生じる可能性があります。刺激装置はバッテリ駆動で、セットアップ時の電気的ノイズを最小限に抑えます。すべての実験の前に完全に充電されていること、実験中は常に充電されていることを確認してください。機能的画像におけるTSNRは、刺激装置を接続した状態で約5％減少するが、値は刺激条件22にわたって安定しているはずである。同時頭蓋電気刺激-fMRIテストn個の死体は、直流刺激に比べて有利な、交流刺激に関連するアーティファクトがないことを示している30 。理論的には、このアーチファクトの欠如は、画像が取得された時点でのゼロの正味電流によって説明することができる30 。しかし、我々の研究室で実施されたいくつかの実験では、取得時間またはTRは刺激周波数の倍数ではありません。このプロトコルで言及されたノイズテストを実施し、目に見えなかったアーチファクトの画像を調べた後、ゼロからの正味電流の差は小さく、アーチファクトを誘導するにはあまりにも無視できると結論付けた。 実験を成功させるための別の重要な点は、プレゼンテーションコンピュータがスキャナのトリガ出力を受信し、刺激装置がプレゼンテーションコンピュータからトリガを受信することである。実験の前に、視覚刺激デザインとタイミングをプログラムする必要なソフトウェア。このプログラムは、視覚刺激提示をMRスキャナおよび刺激装置と同期させるためにトリガを使用しなければならない。 MRスキャナから出力されるトリガで開始し、所望の刺激時間で刺激トリガを出力する。セットアップ中にトリガ通信を確認する簡単な方法は、スキャナのトリガ出力とプレゼンテーションコンピュータの出力にBNCケーブルを接続したオシロスコープを使用することです。我々のセットアップでは、MRスキャナは、取得された機能ボリュームごとにトリガ（トグル）を出力し、プレゼンテーションコンピュータは、プレゼンテーションソフトウェアを介してプログラムされた信号を出力する。うまく設計された実験の分析は、適時に刺激された刺激に決定的に依存する。 この実験のいくつかのステップは、必要に応じて実験室の設定要件に適合させることができる。たとえば、この設定では、視覚刺激提示のためにプロジェクタとミラーを使用する方法が説明されていますが、視覚刺激ouMR-safe液晶ディスプレイゴーグル、またはMR安全モニタとすることができ、MR-safeモニタは、実験および研究室の好みまたは限界に基づいて選択される。また、MRIスキャンパラメータは実験に合わせて調整する必要があります。直接的な答えは存在しないが、tACSの実験的コントロールの適切な選択に注意が払われるべきであることに注意する価値がある。 30秒の短い模擬刺激は、tACSによって誘発される体細胞感覚を模倣することができ、これは最終的に刺激を長くすると減少する。しかし、いくつかの研究では、刺激の短期間でさえ、振動同伴を誘発することができることが示されている12 。 tACSのために使用することができる別の可能な制御は、非有効周波数、すなわち関心のある周波数とは異なる周波数を使用して刺激することである。ここでの例外は、体性感覚と聴覚の知覚が刺激頻度31によって異なることである。最後に、刺激の主観的経験tACSに誘発されるリンケイ素は個人によって異なるため、被験者の変動性を最大限にとらえるために、リンケージの知覚のための詳細な評価システムの使用を検討し、リンケージのさまざまな特徴（場所、強度など）刺激の間に被験者が自分の経験を注意深く評価できるようにすることができる32,33 。 ここに示された代表的な結果は、tACS効果が電流依存性、周波数依存性であり、変調が電極の下の領域に限定されず、遠く、機能的に連結されている可能性のある領域に及ぶことを示唆している。この技術の1つの限界は、fMRIの時間分解能およびBOLD応答の時間分解能である。データ収集と血行力学的応答は、脳の刺激周波数または電気的活動ほど速くはないので、周波数との直接的な相互作用tACSの特異的効果は測定できません。しかし、tACS効果の科学文献の最大のシェアは行動研究であり、tACSは明らかに複雑で複雑な神経系に影響を与えることから、同時のtACS-fMRI実験では、脳。 EEGおよびMEGは、神経活動のものと一致する時間的解像度のレベルについての洞察を提供する。しかしながら、EEGおよびMEGは、空間分解能および皮質深度制限、または計算集約的なソース再構成技術に苦しんでいる。同じ周波数で記録された関心のある脳信号をオーバーライドする刺激周波数および高調波アーチファクトは、EEGおよびMEG分析をさらに複雑にする。これらの課題のいくつかには、革新的な回避策が適用されています。 Helfrich et al。アーチファクトテンプレート減算および主成分分析を使用して、脳波データからtACSアーチファクトを除去するための新規技術を採用した15 </sアップ&gt;。彼らは、10HzのtACSを適用して頭頂後 - 後頭部の後頭皮質でアルファ活動を後頭部で増加させ、同様の固有周波数で機能する皮質オシレーターで同調を誘導することを示した。 Witkowskiらは、振幅変調tACSを適用し、脳梗塞のMEGベースの皮質マップを作成しました34 。 tACSを脳機能の正常および異常の理解に役立てる目的で、最終的には臨床的に診断または治療のために、tACSをEEG、MEG、およびfMRIと別々に組み合わせて、特定の所望の効果を相補的に確立する必要があります具体的には個人に適用されます。このような実践が確立されれば、神経振動の機能（ 例えば 、異なる周波数帯の機能的役割と関係を明確に定義する）やtACSによる変調をよりよく理解するための効果的な調査を行うことができます例えば、機序が巻き込みや塑性変化によって起こるかどうか35 ）。 今後の方向性を考慮して、ここに記載されている設定は、ここに記載された構造体からの研究と他の者が実証したように、知覚または認知を研究するfMRI実験に合わせて調整される。 Cabral-Calderinらは、後頭皮質の領域での活性化が、ビデオ監視対指タッピング実験におけるタスクおよびtACS頻度に依存することを示した22 。同時のtACS休止状態のfMRI研究において、Cabral-Calderinらは、固有の機能的接続性および休止状態のネットワーク23に周波数依存性のtACSの影響を示した23 。 Vosskuhl et al 。 tACSとfMRIを組み合わせて、個々のアルファ周波数刺激24における視覚警戒作業の間にBOLDを減少させた24 。 Alekseichukらは、1の直後の後遺症0 Hz tACSは、パッシブな知覚課題36の神経代謝の変化を示す、市松模様のリングおよびウェッジの視覚中にBOLD信号を変調する36 。これらの研究は、代謝から認知まで、多くのレベルで機能的メカニズムを調べるための同時のtACS-fMRI研究の段階を設定した。翻訳研究のためのtACSの使用のこのような初期段階では、同時のtACS-fMRI実験が、刺激技術と、認知機能への振動の寄与の両方を理解するための多くの可能性がある。

経頭蓋交流刺激（tACS）は、非侵襲的な脳刺激技術であり、健康な個体における神経振動および周波数特異的脳機能の調査ならびに臨床集団における振動の研究および調節に有望である1 。頭皮上に配置された2つ以上の導電性電極を使用して、低電流（1~2mAピークツーピーク）の正弦波が、進行中の神経振動と相互作用する所望の周波数で脳に印加される。 TACS研究は、運動機能2 、作業記憶能力3 、体性感覚4 、および視覚知覚5,6,7を含むが、それらに限定されない、頻度およびタスク特異的行動または認知変調を測定した。非侵襲的な方法で交流を印加することによって、機能的パーキンソン病の震えの減少、光学的神経障害の改善された視力、脳卒中10後のスピーチ、感覚、運動回復の改善などの神経学的患者の改善。研究のためのtACSを用いた研究の数が増えており、臨床現場での治療可能性の証拠があるにもかかわらず、この技術の効果は十分に特徴付けられておらず、そのメカニズムは完全には理解されていない。 シミュレーションおよび動物研究は、制御された条件下で細胞または神経ネットワークレベルでの交流刺激の影響を洞察することができるが、有効な刺激技術13,14の状態依存性を考慮すると、このような研究は全体像を明らかにしない。 tACSとニューロ画像技術の融合（EEG） 15,16,17 、磁気脳波記録（MEG） 18,19,20 、または機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）21,22,23,24は、脳機能のシステムレベル変調について知らせることができる。しかしながら、それぞれの組み合わせは、主に関心のある周波数の測定における刺激誘発アーチファクトのために、技術的課題を伴う。 fMRIの時間分解能はEEGまたはMEG測定値と一致することはできないが、皮質および皮質脳領域におけるその空間的範囲および分解能は優れている。 最近、tACS-fMRIを併用した研究では、tACSが血液中の酸素レベルdfMRIで測定された固有値（BOLD）信号は周波数とタスク特有の両方であり、刺激は必ずしも電極の真下で最大の効果を発揮するとは限らないが、電極22からより遠い領域にある。以下の研究では、被験者ベースの電流密度から導出された、最も直接的に刺激された領域の相関種を使用することを含む、低周波数変動および静止状態の機能的接続性の振幅を用いたネットワーク機能に対するtACS電極の位置および周波数の影響を調べたシミュレーション。特にこの研究では、アルファ（10Hz）およびガンマ（40Hz）の刺激は、しばしば、ネットワーク接続性または地域的な変調に逆の効果を引き出した23 。さらに、最も影響を受けた休止状態のネットワークは、左前頭縁制御ネットワークであった。これらの研究は、効果的で制御されたSTIのための最適なパラメータを決定するためにfMRIを使用する可能性を強調している交配。また、タスク条件やタイミング、刺激頻度、電極位置などの制御パラメータ以外にも、tACSの成功に影響する被験者固有の要因が存在するという証拠に寄与する。刺激パラメータを最適化する際に制御不能な変数と解釈される対象特性の例は、固有の機能的連結性、内因性発振ピーク周波数（ 例えば 、個々のアルファ周波数）、および頭蓋骨および皮膚の厚さである。現在のtACSに関する文献を考慮すると、有効な脳刺激技術のための包括的な手順を確立するには、tACSと神経測定などの神経測定を組み合わせたより多くの研究が必要です。 ここでは、ビジュアルタスクのfMRIと同時にtACSを適用する実験のための安全で信頼できるセットアップを説明します。セットアップと実行の側面に焦点を当てて、tACを正常に同期させますSにfMRIデータをアーチファクトフリーで取得できます。

<table><tbody><tr><td>なし</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DC刺激装置 MR</td><td>NeuroConn、イルメナウ、ドイツ</td><td></td><td>には、内側のフィルターボックス、外側のフィルターボックス、MR安全電極および刺激装置ケーブル(各1本)、刺激装置、表面電極2本、シールドLANケーブル1本が含まれます。注:この原稿では、NeuroConnのMRセーフ刺激装置を使用したtACS-fMRIのセットアップについて説明していますが、メーカーの仕様に基づいて適応が行われた他のメーカーのそのような刺激装置も許容されます。</td></tr><tr><td>3 tesla Tim Trio MR scanner</td><td>Siemens, Erlangen, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>presentation computer</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>presentation software (e.g.;, Matlab)</td><td>The Mathworks, Natick, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>シールドLANケーブル</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>プロジェクター</td><td>InFocus Corporation, Wilsonville, USA</td><td>IN-5108</td><td></td></tr><tr><td>Ten20Electrode Paste</td><td>Weaver and Co., Aurora, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EEGキャップ - EASYCAP 32チャンネルシステム</td><td>Brain Products GmbH, ドイツ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>巻尺</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>マーカー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>枕</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ボタン レスポンスボックス</td><td>Current Designs, フィラデルフィア, アメリカ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>イソプロピルアルコール</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>コットンパッドテープ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRセーフサンドバッグ</td><td>シーメンス、エアランゲン、ドイツ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRセーフミラー</td><td>シーメンス、エアランゲン、ドイツ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRセーフスクリーン</td><td></td><td></td><td>は、サイト固有のパラメータに合うように地元の機械工場で構築できます</td></tr><tr><td>E-A-Rソフト 耳栓</td><td>3M, ブラックネル, イギリス</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging

経頭蓋交流刺激（tACS）は、脳振動の非侵襲的調査のための有望なツールである。 TACSは、表面電極を用いて頭皮に印加される電流によって、人間の脳の周波数特有の刺激を利用する。この技術の最新の知識は、行動研究に基づいている。従って、この方法を脳画像と組み合わせることは、tACSのメカニズムをより良く理解する可能性を秘めている。電気的感受性アーチファクトのために、tACSを脳画像と組み合わせることは難しいかもしれないが、tACSと同時に適用するのに適した1つの脳画像技術は、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）である。我々の研究室では、tACSとfMRIの同時測定との組み合わせにより、tACS効果が状態、電流、周波数に依存し、脳活動の調節が電極の真下の領域に限定されないことを示しました。この記事では、安全で信頼できるセットについて説明します。脳におけるtACSの影響と同様に、振動性脳機能を理解するのに役立つ視覚的タスクfMRI研究と同時にtACSを適用するためのアプローチである。

図2および図3は、それぞれファントムおよびヒト被験者における機器ノイズ試験のために取得された代表的な画像を示す。すべての行において、 図2および図3は、取得されたボリュームまたは計算されたマップからの代表的な軸スライスを示し、それに応じて行の上にラベルが付けられています。各行の右端の画像は、対応するボリュームまたは計算されたマップの矢状図であり、軸線方向のスライス位置を青色の線で示します。白の電極配置を示す第1行とは別に、ボリュームは各図のT1強調画像上に重ね合わされている。 T1強調画像の電極からの歪みや信号の欠落がないことに注意してください。 図2の2番目の行は、tACSのセットアップを取得して取得した代表的な機能的MRIデータを示し、に。 図2のファントムでは、電極による信号の欠落と歪みがあることに注意してください。しかし、 図3の 2行目は、これらの歪みが被験者の頭皮を超えて広がっていないことを示しています。 図2の 3行目と4行目は、fMRIデータと同じパラメータを使用して取得したRF励起パルスを使用せずに取得した、ボリューム内のノイズ測定を示しています。イメージは、スキャン中のスキャナルームとMRハードウェアのノイズレベルを示します。行3はtACSがオフのノイズ測定値で、行4はtACSがオンのノイズ測定値です。 図2の 5番目と6番目の行には、それぞれtACS設定と刺激器のオンとオフを使用した機能実行のためのtSNRマップがあります。ヒト被験者で得られたデータから計算されたTSNRマップは、 図3の行3に示されており、tACSはオフであり、4つはtACSオンである。目に見えるdifがないことに注意してください刺激条件を比較したときの強さ。以前の研究で示したように、tACS装置は、tACS設定なしで取得したものと比較して、画像中のtSNRが約5％低下するが、tSNRは、刺激のオン/オフ条件を超えて安定していなければならない22 。 図4は、非MR適合性電極が使用される場合に起こり得る信号ドロップアウトを示す一連の画像を示す。いくつかの金属汚染を有する可能性がある電極を有する被験者から得られたfMRI容積からのスライスは、赤丸で示されるように、一次運動皮質におおよそ配置された電極の下に信号ドロップアウトを示す。 図5は、16Hz Cz-Oz tACSの電流強度がBOLD信号に及ぼす影響を試験する実験の結果を示す<html>中心的な十字架固定です。実験を通して、tACSの12秒間を24〜32秒間の非刺激期間で交互配置した。擬似ランダム化された順序で、4回の実行のそれぞれにおいて異なる電流強度（500μA、750μA、1000μA、1500μA）でtACSを適用した。 図5Aは、統計的に有意なクラスターに対するBOLD信号のイベントに関連する平均を示し、電流強度の増加に伴うBOLD信号への影響の増大を示す。さらに、 図5Bは、電流強度の増加に伴う空間効果の増加だけでなく、効果の領域特異性を示す電流強度特有のTスコアマップを示す。また、正面領域におけるBOLD活性が著しく変化し、変調が必ずしも電極の真下にあるとは限らないことに注目する価値がある。詳細については、Cabral-Calderin and others 22を参照のこと。 図6は、視覚認知課題におけるtACS効果の周波数依存性を試験する実験の代表的な結果を示しており、被験者は双安定回転球の知覚された方向を報告した。同じ時間に、3つの別々のセッションのそれぞれにおいて3つの刺激周波数（10Hz、60Hz、または80Hz）のうちの1つでCzおよびOzに配置された電極を用いてtACSを適用した。 TACS条件および周波数効果相互作用マップおよびクラスタポストホック試験は、10HzのtACSが減少し、60Hzの増加するシグナル（ 図6B ）を有する頭頂皮質における周波数特異的効果を示す（ 図6B ）。頭頂皮質を越えていくつかの後頭部を含む60HzのtACSの特定の効果の地図タルおよび正面の領域。実験および分析の詳細については、Cabral-Calderin、 et al。 22 。 <img alt="図1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig1.jpg" /> 図1：スキャナのTACS設定 （ A ）すべての必要な要素を含むTACS設定。刺激装置およびケーブルは、MRシールドルームの外部に接続される。また、EEGキャップ、テープ測定器、および電極配置に使用される導電性ゲルも示されている。 （ B ）スキャナ室外に配置された外部フィルタボックスおよび刺激装置。 LANケーブル（図には表示されていません）は、RF導波管を通してスキャナールームから来て、できるだけスキャナケーブルの外部に露出したLANケーブルをほとんど使わずに、外部フィルタボックスに接続します。スティミュレータは、外部フィルタボックスとプレゼンテーションコンピュータのトリガ出力ケーブルに接続する必要があります。 （ C ）実験的セットアップによるスキャナ環境。プレゼンテーションコンピュータ、スキャナコンピュータおよびトリガ出力、およびプロジェクタを含むtACS設定の描写。 （ D ）実験の主題の位置づけ。重要な要素には、枕、ケーブル配置、ビューミラー、ヘッドコイルなどがあります。フィルタボックスは、ボア内の配置の一例として、スキャナベッドレール上に配置される。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig2.jpg" /> 図2：ファントムから得られたMR画像の品質評価行1：高分解能の解剖学的T1強調画像軸スライス。位置は右の矢状スライス上の青線で示されます（各次の行にも表示されます）。矢状面上では、電極位置が描かれている<html>白で評価した。行2：電極および/または電極ゲルによる信号の欠落および歪みを示すマゼンタの矢印を有するT2 *強調エコープレーン画像スライス。矢状面では、対応するボリュームの位置がオーバーレイとして表示されます（後続の各行にも表示されます）。行3：fMRI実験パラメータで得られたノイズ画像スライスであり、tACSセットアップが実行されているがオンになっているが刺激していない間にRF励起パルスがない。第4行：tACSを所定の位置に設置し、刺激装置を用いて16Hzで刺激してRF励起画像を取得しない。行5：TSNRマップは、tACSセットアップで取得したデータから計算し、オンにしますが、刺激しません。行6：TSNRマップは、tACSセットアップで取得したデータから計算し、16Hzで刺激する。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 図3 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg &quot;/&gt; 図3：被験者から得られたMR画像の品質評価列1：高解像度の解剖学的画像の軸スライスで、矢印スライス上の青い線で示された位置（各行に見られる）。電極の位置は、矢状図で白く示されている。行2：電極および/または電極ゲルによる信号ドロップアウトを示さないT2 *強調エコー平面画像スライス。矢状面では、対応するボリュームの位置がオーバーレイとして表示されます（後続の各行にも表示されます）。行3：TSNRマップは、tACSセットアップで取得したデータから計算し、オンにしますが、刺激しません。行4：TSNRマップは、tACSセットアップで取得したデータから計算し、16 Hzで刺激します。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 図4：汚染された電極に起因する信号ドロップアウト。汚染された電極を使用して被験者から採取されたfMRI容積からのスライスは、大脳皮質の手のひらのノブの上に置かれる。赤い丸は、信号の欠落を伴う電極の下の領域を示す。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig5.jpg" /> 図5：BOLD信号のtACS変調に対する電流強度の影響。 （ A ）現在の強さの主効果を16HzのtACSの影響に示すFスコアマップ。一方向rANOVAにおける現在の強さの重要な主効果[<html>因子：電流強度（500,750,1,000,1500μA）]が明らかである。プロットは、各現在の強さに対するtACSオン期間のBOLD信号のイベント関連平均時間経過を示す。網掛け領域は、被験者間の平均の標準誤差を示す。 MedialFG =内側前頭回、IPS =脳脊髄溝、IFG =下前頭回、PrC =前中枢回、L =左、R =右、*複数の比較のために修正されていないクラスター。 （ B ）各現在の強さに対する16Hz tACSの間のBOLD活動変化を示すTスコアマップ。 500μAのtACSでは有意な効果は見られなかった。 LH =左半球。 RH =右半球。この写真はCabral-Calderin et al。 29 。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> img &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg &quot;/&gt; 図6：ビジュアル知覚タスクにおけるBOLD信号に対するtACSの効果。 （ A ）実験の概略図。視覚刺激およびtACSをブロック設計で適用し、視覚刺激提示の120秒ブロックの間に30秒のオン/オフtACSブロックを生じさせた。各周波数は異なるセッションでテストされました。 SfM =運動からの構造体。 （ B ）TACS条件および周波数相互作用効果。 2方向rANOVAにおける有意性を示すF-統計マップ（中枢：後期中枢における2つの代表的なクラスターについてのtACS（オン、オフ）、頻度（10Hz、60Hz、80Hz）およびベータ推定値）。連続線および黒色のアスタリスクは、10Hz対60Hzおよび10Hz対80HzのtACSオン/オフ相互作用効果のポストホック比較の有意差を示し、赤色のアスタリスクは、tACSのポストホックテスト対有意差を意味する。 PoC =後中枢回、IPS =脳室内溝。 （ C ）60Hz tACSのTスコアマップ。 60 HzのtACSをオンオフと比較して有意差がある。この写真はCabral-Calderin et al。 29 。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a>

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。

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations. TACS employs ...

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。

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行動

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fMRIのガイド下経頭蓋磁気刺激中に記録された脳波データからの視覚誘発電位を抽出する

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この記事では、経頭蓋交流刺激と脳波実験を同時に設定する方法を説明します。...

経頭蓋交流電流刺激中に同時脳波記録（TACS）

経頭蓋交流電流刺激 (tACS) 周波数特異的皮質興奮性の調節ができます。ここで単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) による運動誘発電位皮質興奮性を「プローブ」するためにオンライン tACS...

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結合された経頭蓋磁気刺激と背外側前頭前野の脳波

このプロトコルは、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) 中に投与される局所経頭蓋直流刺激 (tDCS) のための神経ナビゲート電極配置の方法を説明しています。...

機能的磁気共鳴画像法中に投与される神経ナビゲートされた焦点化経頭蓋直流刺激

このプロトコルは、作業記憶におけるシータ周波数刺激を例として使用して、認知タスク中の神経振動に対する刺激効果を調べるために、HD-tACS と EEG...

経頭蓋交流刺激と脳波の組み合わせ

学ぶtACSとfMRIを組み合わせた脳振動測定法。神経振動を周波数特異的に操作しながら脳機能を計測し、認知神経科学の理解を深め、神経疾患の診断と治療への応用可能性を示します。

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

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