인간 운동 뉴런 활동을 조절하기 위한 비침습적 전기 뇌 자극

초록

출처: Curado, M. et. al., 인간 운동 기능 조절을 위한 비침습적 전기 뇌 자극 몽타주. J. Vis. 경험. (2016년)

이 비디오는 인간의 운동 기능을 조절하기 위한 경두개 직류 자극(tDCS)의 설정 및 메커니즘을 보여줍니다. 양극을 일차 운동 피질 위에 배치하고 음극을 반대쪽 안와상 영역 위에 배치함으로써 표적 전기 자극은 피질 흥분성을 증가시켜 운동 뉴런 활동을 향상시키며 운동 성능을 향상시킵니다.

프로토콜

인간 참가자가 참여하는 모든 절차는 인간 복지에 대한 기관, 국가 및 국제 지침에 따라 수행되었으며 지역 기관 검토 위원회의 검토를 받았습니다.

1. 안전성 스크리닝

1. 예를 들어 설문지를 사용하여 비침습적 뇌 자극에 대한 잠재적 금기 사항에 대해 참가자를 선별합니다.

2. 운동 피질 국소화

두

1. 가지 접근 방식 중 하나로 참가자의 손 운동 피질을 찾습니다: 경두개 자기 자극(TMS) 유도 운동 유발 전위(MEP)에 의해 관심 근육의 뇌 표현을 찾거나 측정 테이프를 사용하여 뇌파도(EEG) 10/20 국제 시스템을 기반으로 표준 일차 운동 피질(M1) 위치(C3/C4)를 찾습니다.
2. TMS 유도 MEP 기록의 경우 참가자에게 신용 카드, 휴대폰 및 일반적으로 금속 물체를 포함하여 TMS 자기장의 영향을 받을 수 있는 모든 물체를 제거하도록 요청합니다.
3. 참가자에게 편안하게 앉으라고 요청합니다.
4. 소프트웨어 인터페이스를 사용할 때 근전도 검사(EMG) 증폭기와 신호 구성 및 수집에 사용되는 컴퓨터 간의 연결을 확인합니다.
5. EMG 앰프를 켜고 EMG 전극 케이블을 연결합니다.
6. 전극을 놓을 손 부위를 피부 준비 페이스트로 부드럽게 문질러 참가자의 피부를 청소합니다. 깨끗한 거즈 패드로 여분의 부분을 제거하십시오.
7. 관심 있는 손 근육(예: 오른손의 M. 단무지외전근)에 배-힘줄 몽타주로 EMG 표면 전극을 부착하고 접지 전극(예: 팔뚝)을 연결합니다. 이 연구의 목적은 어떤 손 근육을 사용할지 결정하는 것입니다.
   참고: 재사용 가능한 전극의 경우 참가자의 피부에 부착하기 전에 전극 표면에 소량의 전도성 페이스트를 도포해야 합니다.
8. (선택 단계) MEP 데이터 저장이 필요한 경우 MEP 수집을 위한 기록 소프트웨어를 시작합니다.
9. EMG 임피던스 값을 확인하십시오. 임피던스가 20kOhm <인지 확인하십시오.
10. 자기 자극기를 켜고 해당 "충전" 버튼을 눌러 커패시터를 충전합니다.
반
11. 구간 균열의 참가자 두피에 8자 TMS 코일을 놓고 운동 피질 영역(EEG 10/20 국제 시스템의 위치 C3/C4 주변)으로 이동합니다. TMS 코일을 반구간 균열을 기준으로 45°-50° 각도로 잡고 핸들이 뒤쪽을 향하게 하여 후방에서 전방으로 피질 전류 흐름을 생성합니다.
    참고: 운동 피질 위치 파악에는 8자 모양 또는 원형 코일의 두 가지 별개의 TMS 코일이 사용됩니다. 가능하면 8자 코일을 사용하면 더 많은 초점 뇌 자극과 피질 흥분성 측정의 신뢰성이 더 높기 때문에 사용하십시오.
12. 자기 자극기가 충전되면(디스플레이에 표시됨) 트리거 버튼을 누르거나 풋 스위치를 밟거나 소프트웨어 프로그램에 의해 자동으로 자극기를 방전시킵니다. 이것은 이후에 참가자의 두피 위에 배치된 연결된 TMS 코일을 통해 단일 TMS 펄스를 전달합니다. 기본 TMS 펄스 설정(예: 유도 전류의 상승 시간 100μs 및 단상 자극의 경우 800μs 감쇠 시간, 2상 자극의 경우 더 짧은 감쇠 시간)은 장치(펌웨어)에 따라 다릅니다.
13. 낮은 자극 강도로 시작하고(예: 자극기의 자극 강도 컨트롤러 노브를 사용하여 강도를 45% 출력으로 설정) EMG 증폭기에서 볼 수 있는 MEP를 관찰합니다.
    1. MEP가 보이지 않으면 MEP가 명확하게 존재할 때까지(예: 0.5-1mV 진폭) 자극 강도를 2-5% 단위로 증가시킵니다. 펄스 전달이 자동화되지 않은 경우 트리거 버튼을 누르거나 풋 스위치를 활성화하여 자극을 반복합니다. 자극이 약간 더 강해지고 사지 움직임, 안면 경련 및 눈 깜박임이 예상된다는 점을 참가자에게 알립니다.
       참고: 뇌 흥분성에 대한 저주파 자극 효과를 피하기 위해 펄스 사이에 최소 5초의 간격을 설정하십시오.
14. 단일 TMS 펄스를 적용한 후 MEP 응답이 가장 큰 지점을 찾기 위해 초기 자극 부위 주위를 1cm 단위로 코일을 방사형으로 움직입니다. 거기에서 코일 이동을 다시 시작하여 "핫스팟"(최대 MEP 진폭을 가진 피질 영역)을 고정합니다.
    참고: 비침습적 전기 뇌 자극(NEBS) 전극 배치를 위해 캡을 제거해야 하고 핫스팟 위치가 손실될 수 있으므로 위치 파악 절차에 헤드 캡(예: 그리드 표시에 사용)을 사용하는 것은 권장되지 않습니다.
15. 자극기의 자극 강도 컨트롤러 노브를 사용하여 약 2% 단계로 자극 강도를 줄입니다(MEP가 여전히 존재해야 함). 이렇게 하면 최대 자극으로 인한 부정확성을 피할 수 있습니다. 핫스팟 주위를 1cm 단위로 코일을 방사형으로 움직이고 MEP 크기를 확인하여 핫스팟을 다시 확인합니다. 핫스팟은 여전히 가장 크고 가장 일관된 MEP 진폭에 해당해야 합니다.
    참고: 핫스팟을 찾기 어려운 경우(예: 높은 자극 강도에서 MEP가 존재하지 않는 경우) 참가자에게 관심 있는 근육을 자발적으로 수축하도록 요청하십시오. 그렇게 함으로써 MEP를 유도하는 데 필요한 자극 강도가 감소하고 관련 피질 자극 부위를 식별하기가 더 쉬울 수 있습니다. 이 방법을 사용하는 경우 참가자에게 관련 자극 부위를 찾은 후 근육을 이완시키고 근육이 쉬고 있을 때 신뢰할 수 있는 MEP를 찾을 수 있도록 자극 강도를 조정하도록 요청합니다. 핫스팟을 찾으십시오.
16. 비영구성 피부 마커로 핫스팟 위치와 코일 방향을 표시합니다.
17. 양측 M1 자극의 경우 반대쪽 사지에 대해 2.11-2.16단계를 반복합니다.

3. NEBS 전극 준비

:

1. 케이블을 고무 전극에 연결하고 전극을 스펀지 백 안에 넣습니다. 전극 크기와 스폰지 백 크기가 일치하는지 확인하십시오. 재료는 표준 크기(예: 5x5 cm², 5x7 cm²)로 시중에서 구입할 수 있습니다.
2. 등장성 염화나트륨(NaCl) 용액에 스펀지 백의 양면을 적시되 소금 다리가 생기거나 지원자에게 떨어지는 것을 방지하기 위해 과도하게 담그지 마십시오.
   1. 이 단계는 선택 사항입니다. 고무줄 대신 붕대를 사용할 때 NaCl 용액이 누출되는 것을 방지하려면 전극과 스폰지 백을 비전도성 고무 스폰지 커버 안에 넣으십시오.
      참고: 또는 고무 전극을 전도성 페이스트로 덮고 참가자의 머리에 직접 놓습니다(즉, 스펀지 백이나 고무 스폰지 커버를 사용하지 마십시오).

4. NEBS 전극 배치(그림 1)

1. 모터 피질 핫스팟을 나타내는 머리 표시를 찾아 해당 부위 주변의 머리카락을 분리합니다.
2. 전도도를 개선하려면 전극을 배치하기 전에 40-50% 알코올 또는 피부 준비 페이스트를 적신 면봉으로 머리 표시 주변의 피부 부위를 부드럽게 문질러 피부를 청소하십시오. 피부를 긁지 마십시오! 면봉으로 여분의 부분을 제거하고 등장성 NaCl 용액으로 해당 부위를 다시 청소합니다. 나중에 해당 부위를 건조시키십시오.
   알림: 머리 표시가 계속 보이는지 확인하십시오. 필요한 경우 비고하십시오.
3. 관심 있는 M1(관심 손의 반대쪽)에 대한 헤드 표시 뒤에 하나의 전극을 놓습니다. 스펀지를 가능한 한 피부에 직접 닿게 하십시오. 자극 및/또는 작업 실행 중 방해를 피하고 NEBS 장치에 쉽게 연결할 수 있도록 전극 케이블을 참가자의 등 쪽으로 배치합니다.
   알림: 전극 아래의 머리카락은 damp. 모발이 과도하게 적셔 있는 경우 종이나 손수건을 사용하여 초과분을 흡수하십시오.
   참고: 양극 tDCS의 경우 관심 있는 운동 피질 핫스팟(흥분성의 증가가 바람직함)에 배치된 전극은 일반적으로 빨간색 케이블에 연결된 양극에 해당합니다. 음극(일반적으로 검은색 또는 파란색 케이블에 연결됨)은 반대쪽 안와상 영역 또는 M1(아래 참조)에 배치됩니다. 종래, 전극 배치는 경두개 랜덤 노이즈 자극(tRNS)에 대해 동일하지만, 고전적인 프로토콜에서는 교류 흐름으로 인해 극성 특이성이 없습니다. 자극 설정에 자극 오프셋이 포함된 경우 특정 배치가 중요할 수 있습니다.
4. 편측 M1 자극의 경우 두 번째 전극(양극 tDCS의 경우: 음극)을 반대쪽 안와상 영역(EEG 10/20 국제 시스템의 전극 Fp2에 해당) 위에 놓습니다. 케이블이 참가자의 등을 향하고 있는지 확인하십시오.
5. 탄성 붕대로 머리를 내외측 방향으로 원형으로 두 번 덮어 M1 전극을 안정시킨 다음 남은 붕대를 사용하여 머리를 전후방 방향으로 원형으로 덮어 양쪽 전극을 안정시킵니다.
6. 접착 테이프를 사용하여 붕대 끝을 고정합니다.
7. 참가자의 목이나 셔츠에 접착 테이프로 케이블을 고정합니다.
8. 전극 케이블을 NEBS 장치에 연결합니다.

5.

1. NEBS 장치의 자극 스위치.
2. 자극 유형(tDCS 또는 tRNS), 강도(예: 1mA, 1.5mA 또는 2mA), 지속 시간(예: 10-40분), 램프 증가 및 감소(자극 시작과 최대 강도 사이의 시간, 일반적으로 8-15초) 및 자극 유형과 관련된 추가 요소(예: tRNS의 주파수 스펙트럼)와 관련된 NEBS 장치 설정을 조정합니다.
   참고: 일반적으로 가짜 자극에는 즉시 증가한 다음 감소하는 것이 포함됩니다. 따라서 참가자는 자극을 느끼지만 자극 지속 시간은 뇌 기능에 지속적인 영향을 미치기에 충분하지 않습니다. 일부 NEBS 장치에는 연구별 주제 코드를 입력하여 참가자와 조사자의 눈가림을 허용하는 연구 모드가 포함되어 있습니다. 코드는 자극 설정을 자동으로 결정합니다. 대안적으로, 두 번째 실험자는 각 세션에서 자극 설정을 설정하고 자극을 수행하는 실험자의 디스플레이를 덮을 수 있습니다.
3. NEBS와 관련된 잠재적인 부작용에 대해 참가자에게 알립니다. 일반적인 부작용으로는 전극 아래의 피부 가려움증/따끔거림 또는 작열감, 두통 및 불편함이 있습니다. 작열감은 전극이 피부에 닿지 않는다는 신호일 수 있습니다.
4. 자극을 시작합니다.
   참고: 일반적인 자극 지속 시간은 피질 흥분성의 변화를 조사한 보고서를 기반으로 약 10-20분 동안 지속됩니다(대표 결과 섹션 참조). 경험적으로 최대 자극 지속 시간은 40분으로 설정되었습니다.
5. 램프업 및 자극 중 자극의 연속성을 확인하십시오. 임피던스가 너무 높거나 전극이 피부와 접촉이 좋지 않으면 자극이 자동으로 종료될 수 있습니다.
   참고: 임피던스가 너무 높거나 참가자가 자극 중 불편함이 증가한다고 보고하는 경우 예를 들어 자극 부위에 전극을 더 잘 고정하거나 전도성 매체를 추가하여 임피던스를 줄이십시오. NaCl 용액은 머리에 놓은 후 스펀지에 직접 주사기를 사용하여 추가할 수 있습니다.
   참고: 일부 장치는 안전상의 이유로 자극 전반에 걸쳐 임피던스를 보고합니다. 임피던스가 특정 임계값(예: 55kOhms)에 도달하면 NEBS 장치가 차단될 수 있습니다.

결과

그림 1. 뚜렷한 NEBS 전략을 위한 전극 몽타주 및 전류 방향. (A) 편측 양극 경두개 직류 자극(tDCS)의 경우, 양극은 관심 있는 일차 운동 피질 위에 집중되고 음극은 반대쪽 안와상 영역 위에 위치합니다. (B) 양측 운동 피질 자극의 경우 양극과 음극은 운동 피질 위에 위치합니다. 양극의 위치는 양극 tDCS에 대한 관심 있는 운동 피질을 결정합니다. (C)

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
NEBS 장치(DC 자극기 플러스)	Neuroconn
전극 케이블	Neuroconn
전도성 고무 전극	Neuroconn		5x5 cm
천공 스폰지 백	Neuroconn		5x5 cm
비전도성 고무 스폰지 커버	Amrex-Zetron	FG-02-A103	고무 패드 3"*3"
NaCl 등장성 용액	B. Braun Melsungen AG	A1151	Ecoflac, 0,9%
면 크레이프 붕대	Paul Hartmann AG	931004	8x5m, 섬유 탄성
접착 테이프(Leukofix)	BSN 의료	02122-00	2,5cm*5m
피부 준비 페이스트	위버	10-30
자기 자극기	Magstim	3010-00	Magstim 200
EMG 전도성 페이스트	GE Medical Systems	217083
EMG 양극 전극	: Natus Medical Inc. Viking 4
EMG 증폭기	(예: Natus) Medical Inc.
케이블	예: Natus Medical Inc. Viking 4
데이터 수집 장치	Cambridge Electronic Design(CED)	MK1401-3	AD 변환기
신호 기록 및 오프라인 분석
신호 4.0.9	Cambridge Electronic Design(CED)		소프트웨어
비영구 피부 마커	Edding	8020	1 mm, 파란색

(예 EMG 신호 전송용 Viking 4 (용 컴퓨터