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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
비 침습 뇌 전기 자극은 모두 연구와 임상 목적으로 대뇌 피질의 기능과 동작을 조절 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 인간 모터 시스템의 조절을위한 다양한 뇌 자극 방법을 설명한다.
비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS)은 두 연구 및 임상 목적을 위해 뇌의 기능 및 행동을 조절하는 데 사용된다. 특히, NEBS는 transcranially 중 직류 자극 (tDCS) 또는 교류 자극 (TACS)로 적용될 수있다. 이러한 자극 유형은 시간 - 용량 의존적을 발휘하고 정상인 학습 운동 기능 및 능력에 tDCS 극성 특정 효과의 경우. 최근 tDCS는 뇌졸중이나 운동 장애 환자의 운동 장애의 치료를 증가시키기 위해 사용되어왔다. 이 문서 tDCS 및 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)와 일차 운동 피질 타겟팅 단계별 프로토콜, 미리 정의 된 주파수 범위 내에서 임의로인가 전류를 사용 TACS의 특정 형태를 제공한다. 두 개의 서로 다른 자극 몽타주의 설정을 설명한다. 모두 몽타주에서 방출 전극 (tDCS의 양극) 관심의 일차 운동 피질에 배치됩니다. 에 대한양자 운동 피질 자극의 수신 전극이 반대 일차 운동 피질에 위치하면서 일방적 인 운동 피질 자극은 수신 전극은 반대편 이마에 배치됩니다. 장점과 피질 흥분성 학습 포함한 운동 기능의 조절을위한 각 몽타주 단점뿐만 아니라 안전성과 내약성 눈부신 양태로서 설명된다.
3 - 비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS), 그대로 두개골을 통해 뇌에 전기 전류의 투여는 뇌의 기능 및 동작 1을 수정할 수 있습니다. 신경 생리 학적 및 행동 효과로 이어지는 기본 메커니즘은 여전히 필요하다 이해 NEBS 전략의 치료 가능성을 최적화합니다. 다른 실험실에서 응용 프로그램과 자극 절차의 전체 투명성의 표준화 활동의 제안 된 메커니즘의 결과 및 평가의 신뢰성 해석을 지원하는 데이터의 비교를위한 기초를 제공한다. 전류 자극 번갈아 두개 직류 자극 (tDCS) 또는 두개가 (TACS)는인가 전류의 파라미터가 다릅니다 tDCS는 두 개의 전극 (양극 및 음극) (2) 사이의 단방향 일정한 전류 흐름 구성 - 6 동안의 TACS은인가 교류 전류를 사용 에서특정 주파수 (7). 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)는 임의의 주파수에서인가되는 교류 전류를 사용 TACS의 특별한 형태 (예., 100-640 Hz로) 빠르게 변화하는 자극 강도 발생 극성 관계 4,6,7 효과를 제거하는 단계를 포함한다. 자극 설정 자극 예 잡음 스펙트럼 임의로 (보통 사용되지 않는) 1mA 기준 강도 주위 변경 오프셋 포함하면 극성 만 관련이있다. 이 문서의 목적을 위해, 우리는 밀접 연구실 (6)으로부터 다음과 같은 공보 최근, 모터 시스템에 tDCS 및 TRNS 효과를 이용한 작업에 초점을 맞출 것이다.
TRNS의 작용 기전은 더 적은 tDCS의보다 이해하지만 후자의 가능성이 다릅니다. 이론적 확률 공진 개념적 프레임 워크는 TRNS 번째를 변경하여, 신호 처리 이득을 제공 할 수있다 신경계 자극에 의해 유도 된 잡음을 도입즉 신호대 잡음비 4,8,9. TRNS는 주로 약한 신호를 증폭 할 수있어 작업 관련 뇌 활동 (내인성 노이즈 9)를 최적화 할 수 있습니다. Anodal tDCS는 시간 분에 대한 자극의 지속 시간을 outlasting 효과와 대뇌 피질의 흥분 (MEP) 자연 신경 발사 속도 (10)의 변경에 의해 표시 또는 증가 모터가 잠재적 유발 진폭이 2 증가합니다. 장기 강화로 알려진 시냅스 효능 오래 지속 증가는 학습과 기억에 기여할 것으로 생각된다. 사실, anodal tDCS 반복적으로 약한 시냅스 입력 (11)에 의해 활성화 모터 대뇌 피질의 시냅스의 시냅스 효능을 향상시킵니다. 이 활동에 의존하는 프로세스의 전제 조건으로 시냅스 협력 활성화를 제안, 13 - 따라서, 개선 운동 기능 / 기술 습득은 종종 자극 모터 훈련 (11)와 공동 적용될 경우에만 공개됩니다. 그럼에도 불구하고, C의 증가 사이의 인과 관계ortical 흥분 한 손에 (발사 속도 또는 MEP 진폭의 증가) 및 개선 된 시냅스 효능 반면에 (LTP 또는 운동 학습과 같은 행동 기능) 증명되지 않았습니다.
NEBS는 인간의 운동 기능 1을 조절하는 안전하고 효과적인 방법으로 증가하는 관심을 끌고있다 일차 운동 피질 (M1)에 적용. 6,14,15 - 신경 생리 학적 효과 및 동작 결과는 자극 전략 (예 tDCS 극성 또는 TRNS), 전극의 크기 및 몽타주 (4)에 의존 할 수있다. 제외 주제 고유의 해부학 적 및 생리 학적 요인의 전극 몽타주 크게 전계 분포에 영향을 미친다 및 피질 (16) 내에서 확산 전류의 서로 다른 패턴을 초래할 수 - 18. 전극에인가되는 전류의 크기의 강도 이외에 3 전달 전류 밀도를 결정한다. 공통 전극 몽타주인간 모터 시스템 연구 (도 1)을 포함한다 : 1) anodal tDCS 관심 M1과 반대측에 위치 이마 음극 상에 위치 애노드 일방적 M1 자극 등; 이 방법의 기본 개념은 관심 6,13,19의 M1에 흥분의 상향 조절이다 - (22) 2) anodal tDCS 양측 M1 자극 (또한 관심 M1 및 M1 5,6,14,23,24 반대측에 위치하는 음극 상에 위치 애노드) "bihemispheric"또는 "이중"자극이라 등; 이 방법의 기본 아이디어는 반대 M1에 흥분을 하향 조절하면서 관심의 M1에 흥분의 상향 조절에 의해 자극 혜택을 극대화 (즉, 두 M1s 사이의 반구 억제 변조); 3) TRNS은 단지 위에서 언급 일방적 M1 자극 몽타주 investig왔다ated 4,6; TRNS 효과 향상이 장면 흥분은 100-640 Hz로 (4)의 주파수 스펙트럼을 검색 결과로되었다. 뇌 자극 전략 전극 몽타주 선택 임상이나 연구에 설정 NEBS의 효율적이고 안정적인 사용 중요한 단계를 나타낸다. 인간 모터 시스템의 연구에 사용 된 방법론 및 개념적 측면을 설명하는 여기 이러한 세 NEBS 절차를 상세히 설명한다. 일방적 또는 양자 tDCS와 일방적 TRNS 재료는 동일 (그림 2)입니다.

그림 1. 전극 몽타주와 별개의 NEBS 전략 현재 방향. 일방적 anodal 경 두개 직류 자극 (tDCS)의 경우 (A)는 양극 t 위에 위치 관심의 일차 운동 피질과 음극을 통해 중앙그 위에 궤도 영역을 반대측. 양자 운동 피질 자극, 양극과 음극의 경우 (B)은 하나의 운동 피질을 통해 각각 위치한다. 양극의 위치는 anodal tDCS에 대한 관심의 운동 피질을 결정한다. 일방적 두개 랜덤 잡음 자극 (C) (TRNS)은, 하나의 전극은 운동 피질과 반대측 문헌 궤도 영역 위에 다른 전극 위에 위치한다. 전극 사이의 전류 흐름은 검은 색 화살표로 표시된다. 양극 (+ 적색), 음극 - 교류 (파란색), (+/-, 녹색) 현재. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
윤리 문 : 인간 연구 연구 항목 전에 참가자의 서면 동의서가 필요합니다. 참가자 모집하기 전에 관련 윤리위원회의 승인을 얻습니다. 확인 연구는 헬싱키 선언에 따라 있습니다. 여기에보고 된 대표적인 연구 결과 (그림 4)는 59 일 WMA 총회, 서울, 2008 년 10 월에 의하여 개정과 프라이 부르크 대학의 지역 윤리위원회의 승인 헬싱키 선언에 따라 수행 된 연구에 기초한다. 모든 피험자는 연구 항목 6 전에 동의서를 작성했다.
1. 안전 검사
2. 모터 코어 텍스 현지화
3. NEBS 전극 제조
4. NEBS 전극 위치 (그림 1)

비 침습적 전기 뇌 자극 프로토콜에 사용되는 NEBS 프로토콜에 사용되는 그림 2. 재료. 기존의 재료는 NEBS 장치, 전극 케이블, 전도성 고무 전극, 뚫린 스폰지 가방, 고무 스폰지 커버 (옵션), 등장 NaCl 용액 및 붕대. 포함 하세요 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 자극
인간의 모터 시스템에 NEBS의 효과를 조사하기 위해이 적절한 결과 측정을 고려하는 것이 중요합니다. 모터 시스템의 한 가지 장점은 전기 생리 도구 피질 표현 접근성이다. 모터 전위 자주 모터 피질 흥분성의 지표로 사용된다 유발. 29 μA / ㎠의 전류 밀도에서 anodal tDCS 9 분 이상 도포 한 후, 모터 피질 흥분성 건강한 지원자 19,21,22 (또한도 3 참조)의 대부분에 적어도 30 분 동안 증가된다. Cathodal tDCS는 대부분 반대 (흥분-감소) 또는 전혀 효과가 19, 22이 발생합니다. 그러나, 최근 22 바와 같이, anodal 및 cathodal tDCS 대한 효과의 반대 방향을 나타내는 일부 과목 응답 방향에 약간의 변동이있다. 이는 샘플 크기 계산에 고려되어야연구 NEBS를 사용. 흥미롭게도, M1 흥분의 비교 변화는 일방적 인 및 양자 tDCS 5,23 후 발견하고, 간단한 운동 기능 마찬가지로 각각의 자극 유형 5 직후 향상되었다. 양자 M1 몽타주를 사용하여 반대측 M1의 흥분의 추가 하향 조절 모터의 동작에 특정 혜택 (아래 참조)을 발휘 여부 따라서는 현재 조사 중입니다. 반면에, 휴식 상태의 fMRI는 분명히 다른 대뇌 피질의 네트워크 변경을 표시 : 일방적 tDCS가 작동 전두엽에 연결, 정수리와 소뇌 영역 (34)을 조절하면서 양자 tDCS는, 기본 및 보조 모터와 전두엽 영역에서 기능 연결을 변조한다.
TRNS는 최근 대뇌 피질의 흥분 (4)을 조절하는 도구로 개발했다. 교류 TRNS으로 인해이만큼이 (극성 특이성없이 적용된다더) 자극 강도의 오프셋 (offset)되지 않습니다. 그러나, TRNS의 효율이 낮은 주파수보다 더 강력한 효과를 나타내는 고주파 (100-640 Hz로)으로인가 잡음 스펙트럼에 의존하는 것으로 보인다 (<100 Hz에서) 4. 때 직접 일방적 anodal의 tDCS에 비해 (MEP 진폭의 변화로 측정) M1 흥분의 비슷하지만 약간 더 긴 지속 증가는 일방적 TRNS (그림 3) 이후에 발견되었다.

다른 NEBS 전략 후 운동 피질의 흥분의 그림 3 시간 코스. MEP 진폭 전에 시간의 함수로 일방적 anodal 두개 직접 자극 (tDCS) 또는 두개 랜덤 노이즈 자극 (TRNS)의 10 분 후에 도시는 차에 적용 29 μA / cm 2 (1mA / 35cm 2)의 전류 밀도에서 운동 피질. 오차 막대는 indicat전자 표준 오류. TRNS는 tDCS를 anodal에 비해 모터 피질의 흥분에 비슷한 효과를 발휘합니다. 기본 수준으로 MEP 진폭 복귀 후 약 anodal tDCS 및 TRNS 90 분 후 50 분. Terney에서 외. (2008) 4 권한. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
연구 설계의 이질성에도 불구하고, 일반적인 개념은 운동 기능에 tDCS 및 TRNS의 효과를 테스트 NEBS 시험에서 진화를 시작합니다 동시에 교육 / 테스트를 적용 할 때 NEBS 모터 성능이나 능력에 영향을 미친다. 직렬를 Reacti에 38 - Anodal tDCS 및 TRNS 모든 학습 암시 모터 시퀀스 4,35을 향상 것으로 나타났다 일방적 인 M1 자극 또는 훈련 중에 양자 M1 자극으로 적용 anodal tDCS로 적용시간 작업 39. 마찬가지로, 모터 훈련 중에 적용 일방적 anodal의 tDCS는 명시 적 운동 학습 패러다임 (40)에 학습의 속도를 증가 나타났다. 그러나, 암시 적 및 명시 적 운동 학습에 cathodal 자극의 효과가 다른 것 같다 : 훈련 도중 cathodal tDCS 크게 암시 운동 학습 (35) 동안 학습 순서에 영향을 미치지 않았지만, 그것은 부정적인 명시 모터 (40) 학습에 영향을 미치는 것으로보고되었다. 이 불일치하는 이유는 추가 조사가 필요합니다.
더 복잡한 모터 기술에 초점을 맞추고 이전 조사에서 13, 20 학습 크게 향상 visuomotor 기술을 훈련하는 동안 일방적 인 M1 자극으로 적용 여러 일 anodal tDCS를 통해 학습. 스킬 이동 속도의 함수 (즉, 속도 정확성-절충)와 같은 이동 정밀도의 변화에 의해 결정 하였다. 놀랍게도, 직접 비교 일방적 인 및 양자 M1 anodal tDCS 일방적 TRNS visuomotor 단어와 문자 추적 작업 6 (그림 4A)에서 배우는 모든 향상된 기술 두 전극 몽타주 자극 유형의. 메커니즘에 대해서는, 그것과 tDCS TRNS 행동 같은 메커니즘에 의해, 현재 동작 여부를 알 수 없다. 그러나, 세션 명확하게 tDCS 및 TRNS 사이에 차이 내에서 기술 향상의 시간 코스 : 일방적 tDCS 자극이 시작된 직후 기술 향상에 큰 효과를 발휘. 반면, 양자 tDCS 및 TRNS 천천히 세션 (그림 4B) 동안 기술 향상을 강화. 이 차이는 NEBS 유형 및 모터 학습 과정 사이에 일시적으로 특정 상호 작용에 가리 킵니다. 신경 장애 미래 정상인에 모터 시스템의 연구뿐만 아니라 환자에 대한 자극 유형을 선택할 때 고려되어야한다.
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다른 NEBS 전략으로 교육 및 확대에 의한 모터 기술의 그림 4. 향상. 자극 그룹당 모터 훈련 삼일 동안 모터 기술의 (A) 변경. 스킬 크게 허위 자극 대조군에서는 시간이 지남에 따라 증가하고, 각 NEBS 전략에 의해 더욱 증대된다. 운동 학습의 하위 구성 요소의 (B) 분산 형 플롯. 모든 자극 기는 허위 자극 대조군에 비해 유의하게 더 큰 전체 운동 학습을 제시한다. . 가짜 제어 및 두개 랜덤 노이즈 자극 (TRNS)에 비해 자극의 발병 후 스킬 즉, 초기의 변화, - 만 일방적 anodal 경 두개 직류 자극 (tDCS)는 모터 학습에 더 즉각적인 효과를 보여준다. DC : M1-SO = 일방적 tDCS. DC : M1-M1 = 양자 tDCS. RN : M1-SO = 일방적 TRNS. * p <0.05, ** p <0.01. 오차 막대 = 평균의 표준 오차. 프 리처드 외. (2014) 6 권한에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 아무것도 없어.
비 침습 뇌 전기 자극은 모두 연구와 임상 목적으로 대뇌 피질의 기능과 동작을 조절 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 인간 모터 시스템의 조절을위한 다양한 뇌 자극 방법을 설명한다.
MC와 JR 독일 연구 재단 (DFG RE 2740 / 3-1)에 의해 지원됩니다.
| NEBS 장치 (DC Stimulator plus) | 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. 브라운 멜숭겐 AG | A1151 | Ecoflac, 0,9% |
| Cotton 크레이프 붕대 | Paul Hartmann AG | 931004 | 8x5m, 섬유 탄성 |
| 접착 테이프(Leukofix) | BSN medical | 02122-00 | 2,5cm*5m |
| 피부 준비 페이스트 | Weaver | 10-30 | |
| 자기 자극기 | Magstim | 3010-00 | Magstim 200 |
| EMG 전도성 페이스트 | GE Medical | EMG 양극성 전극217083 | 시스템 |
| 예: Natus Medical Inc. Viking 4 | |||
| EMG 증폭기 | 예: Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| EMG 신호 전송용 케이블 | (예: Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| 데이터 수집 장치 | Cambridge Electronic Design (CED) | MK1401-3 | AD 컨버터 |
| 신호 기록 및 오프라인 분석 | 용 컴퓨터 | ||
| Signal 4.0.9 | Cambridge Electronic Design (CED) | 소프트웨어 | |
| 비영구 스킨 마커 | Edding | 8020 | 1 mm, 파란색 |