Transcranial 자석 자극 온라인 결합 된 접근에 의해 기본 모터 피 질에 Transcranial 교류 전류 자극의 효과

본 절차의 전반적인 목표는 새로운 온라인 결합 접근법을 통해 단일 경로 경두개 자기 자극을 이용하여 경두개 교류 자극의 지속 효과에 대한 조절을 평가하는 것입니다. 경두개 전기 자극은 서로 다른 전류 파형을 통해 신경 세포 상태에 영향을 주는 신경 조절 기술입니다. 이는 뇌의 운동 및 인지 기능을 연구하기 위해 신경과학 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

가장 많이 사용되는 접근법은 뉴런 활동의 변화를 유도할 수 있는 직류 자극, 무작위 노이즈 및 교류 자극을 기반으로 합니다. 이는 뉴런 내부와 외부 모두에서 휴지 막전위의 변화를 일으켜 결과적으로 뉴런의 시냅스 효율을 수정합니다. tACS를 통해 특정 주파수 범위 내에서 정현파 형태의 외부 진동 전위를 전달할 수 있습니다.

내인성 진동 활동에 소위 동조 효과(entrainment effect)를 유도함으로써 이를 수행합니다. 본 연구에서는 일차 운동 피질의 지속적인 자극 과정에서 tACS와 단일 경로 CMS를 결합한 새로운 방법을 소개합니다. 이 방법을 통해 단일 펄스 TMS로 유도된 운동 유발 전위를 이용하여 일차 운동 피질에 대한 실시간 교류 자극 효과를 테스트할 수 있습니다.

우리는 일차 운동 피질 자극을 통해 온라인 결합 TACS-TMS 프로토콜을 실행하는 데 필요한 전체 장비 세트를 보여줄 것입니다. 장비 목록에는 BrainStim과 같이 교류 전기 자극을 생성할 수 있는 전기 자극 장치가 포함됩니다. 이는 5~7cm 크기의 식염수에 적신 두 개의 표면 스펀지 전극으로 연결됩니다.

피부 자극을 최소화하기 위해, 전체 자극 세션 동안 임피던스를 10 kiloOhm 미만으로 유지하도록 전극을 생리식염수로 완전히 적십니다. 타겟 전극은 특정 탄성 스트랩을 사용하여 일차 운동 피질 핫스팟에 해당하는 두피 위에 배치하고, 참조 전극은 소위 모노폴 몽타주(monopole montage) 방식으로 점착 테이프를 사용하여 동측 어깨 위에 배치합니다. 인간의 경우, 서로 다른 주파수의 진동은 신경망 활동의 다양한 상태의 기초가 되는 서로 다른 행동 및 인지 과정을 반영합니다.

일반적으로 뇌전도(encephalography) 또는 뇌자도(magneto-encephalography)를 통해 측정됩니다. 인간 뇌의 진동은 초저속에서 초고속 진동까지 다양하게 나타납니다. 이러한 진동들은 보통 동시에 존재하며, 서로를 조절하거나 상호작용할 수 있습니다.

하지만 진동 활동과 뇌 프로세스 사이의 연결 고리는 항상 상관관계 분석법을 통해 규명되어 왔습니다. 따라서 뇌 진동이 피질 정보 처리의 근본적인 메커니즘을 직접적으로 반영하는 것인지, 아니면 단순히 부수적인 현상에 불과한지에 대한 문제는 여전히 해결되지 않은 상태입니다. TACS를 사용하면 특정 주파수 방식으로 뇌 진동을 인과적으로 조절할 수 있으며, 결과적으로 휴지기 상태, 지각 및 인지 프로세스와 연결된 생리적 신경 활동에 영향을 줄 수 있습니다.

BrainStim 장치를 사용하여 TCS 프로토콜을 설정하려면, 먼저 배터리 상태를 확인하십시오. 그런 다음 당사의 전용 소프트웨어를 통해 자극 파라미터를 조절합니다. 여기에는 전류의 주파수, 지속 시간, 파형이 포함됩니다.

그리고 블루투스 연결을 통해 기기로 전송합니다. 소프트웨어를 사용하여 새 세션을 열고 새로운 프로토콜 또는 자극을 관리합니다. 예를 들어, 프로토콜의 이름을 Beta로 지정합니다.

자극 빈도를 설정합니다(본 사례에서는 20Hz). 파형을 정현파(sinusoidal)로 조정하고, 자극 프로토콜의 총 지속 시간(예: 600초)을 설정합니다. 마지막으로 자극 강도를 1 milliAmp로 설정하고 offset, fade in, fade out 및 fade는 0으로 설정합니다. 그 후 장치의 Bluetooth 기능이 활성화되면 소프트웨어에서 자극기로 프로토콜을 업로드합니다.

그런 다음 프로토콜이 장치로 성공적으로 전송되었는지 확인하십시오. 이제 TMS 부분으로 이동합니다. 먼저 단일 펄스 TMS를 통해 운동 잠복 전위를 측정하기 위해 표면 EMG 전극을 배치하십시오.

피부 임피던스를 10 kiloOhm 미만으로 낮추기 위해 모든 전극 아래의 피부를 클렌징 스크럽으로 닦아냅니다. 본 실험에서는 제1 등쪽 골간근(first dorsal interosseus muscle)을 대상으로 양극 복부 건 몽타주(bipolar belly tendon montage) 방식을 사용하였습니다. 활성 전극은 근육에, 참조 전극은 원위부로 2 cm 떨어진 뼈 위에, 접지 전극은 팔의 근위부 쪽에 각각 배치합니다.

운동 잠김 전위(Motor lock potentials)는 커넥터 박스를 통해 BrainAmp DC 증폭기에 연결된 은(argentum), 염화은(argentum chloride) 전극으로 측정합니다. TMS 코일의 정확한 배치를 위해 프레임리스 TMS 내비게이션 시스템인 LocalEye TMS navigator를 사용합니다. 먼저 피험자의 전면에 추적 센서를 부착합니다.

TMS 자극을 위해 이상성(bi-phasic) 모드의 자기 자극기와 H-형 75 millimeter 스윙 레드 자극 코일을 사용합니다. 그런 다음 피험자의 구조적 T-one MRI 영상을 사용하여 내비게이션 시스템으로 3-D MRI 두부 모델에 피험자의 머리 현재 상태를 구현합니다. 그 후, 두부의 일차 운동 영역인 소위 운동 노브(motor knob) 영역 위에 코일을 정확하게 배치합니다.

그런 다음 단일 펄스 TMS 모터 락 전위를 테스트하기 시작합니다. 연구 대상 손 모델의 피질 표상에 대한 최적의 핫스팟이 발견되면, 이 위치를 표시하여 이후 TCS 타겟 전극 배치 시 사용합니다. 머리 중심 위치에 맞춰 머리의 첫 번째 탄성 스트랩을 세심하게 조정하십시오.

그 다음, 두 번째 스트립으로 표적 전극 위치를 잡습니다. TCS 전극이 두개골과 동측 어깨에 모두 배치되면, 이를 자극기에 연결하십시오. 자극 세션을 시작하기 전에, 시각적 검사를 통해 표적 전극의 위치가 표시된 핫스팟 중앙에 위치했는지 확인하십시오.

그런 다음, 뉴로네비게이션을 사용하여 강도와 방향을 재조정함으로써 TMS 코일을 TCS 전극 위에 배치하여 핫스팟을 다시 찾습니다. 이 단계에서는 대상 전극의 두께를 고려하여, 새로운 통합 TCS-TMS 몽타주에 대한 휴지기 운동 역치 측정법을 적용합니다. 실험 전반에 걸친 자극 강도는 휴지기 운동 역치의 110%로 설정합니다.

대부분의 TCS 연구에서는 뚜렷한 온라인 효과가 나타났으나, 동시에 자극 중단 후 TCS의 장기적인 효과에 대해서는 여전히 명확한 증거가 없습니다. 문헌상에서 온라인 TCS를 사용한 집단과 관련하여 약하고 불분명한 사후 효과를 보여준 연구는 극소수에 불과합니다. EG 증거 또한 TCS의 사후 효과에 대해 명확하지 않습니다.

생체 내(In vivo) 실험에서 스파이크 활성이 서로 다른 구동 주파수와 동기화된다는 것이 밝혀졌으며, 이는 신경 세포의 발화가 전기적으로 인가된 전장에 의해 동조될 수 있음을 시사합니다. 따라서 동물 모델에서 약한 정현파 TCS는 광범위한 피질-신경 펄스의 방전 주파수를 동조시킵니다. 인간의 경우, 최근의 증거를 통해 온라인 TCS가 EG 시그니처에 동조 효과를 유도할 수 있음이 확인되었습니다.

하지만 TCS EG 접근 방식은 여전히 의문의 여지가 있는데, 첫째로 AC로 인해 유도되는 아티팩트 때문이며, 둘째로 자극 부위의 EG 신호를 직접 포착하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문입니다. 이러한 결합된 TCS-TMS 몽타주는 특히 감각운동계에 대하여, 일차 운동 피질에 단일 펄스 TMS를 프로브로 사용하여 피질척수 출력에 미치는 온라인 주파수 특이적 TCS 효과를 관찰할 수 있게 합니다. 따라서 3~5초의 무작위 간격을 두고 온라인 TMS 단일 펄스를 전달하면서 20Hz 전기 자극 프로토콜을 시작하십시오.

예를 들어, 10Hz 또는 가짜 자극과 비교하여 온라인 20Hz TCS 동안 운동 잠금 전위(motor lock potential) 진폭의 증가를 보여줄 수 있습니다. 이 그림에서는 TMS 코일이 대상 TCS 전극 위에 배치된 실험 설계의 예를 볼 수 있습니다. 이 실험의 대상 적색 전극은 왼쪽 운동 피질과 오른쪽 두정 피질에 배치되었습니다.

파란색 기준 전극을 10-20 국제 EEG 시스템의 PZ 위치에 해당하는 정중선에 배치합니다. 코일을 왼쪽 운동 피질 위에 놓인 스펀지 전극 위에 고정합니다. 대상이 되는 인간의 운동 피질은 약 20Hz의 활성도를 보입니다.

빈번한 협력 연구자들은 20Hz로 자극을 가하는 동안 피질-척수 흥분성이 실시간으로 증가함을 보여줌으로써, 휴식 상태의 인간에게서 20Hz 활동이 나타난다는 결정적인 증거를 제공하였습니다. 그래프의 Y축은 TCS 자극이 진행되는 동안 TMS 단일 펄스로 측정된 평균 MEP 진폭을 나타냅니다. X축은 서로 다른 자극 주파수를 나타냅니다.

운동 피질에 20Hz로 전달된 TCS만이 피질척수 출력을 증가시켰습니다. 반면, 다른 주파수의 자극이나 두정 피질에 대한 다른 자극은 아무런 효과가 없었습니다. 이는 TACS와 TMS 결합 접근법으로 측정했을 때, TCS가 운동 피질에 대해 온라인 상에서 주파수 특이적 효과를 나타낸다는 최초의 증거였습니다.

TMS와 TACS를 병용하는 근거는 두 방법이 전달하는 정보가 서로 다르다는 점에 있습니다. 일차 운동 피질의 반대측 손에서 운동 유발 전위를 기록함으로써, 진행 중인 TCS의 효과를 아티팩트 없이 확인할 수 있습니다. 이를 통해 서로 다른 주파수로 전달되는 전기 자극 동안 운동 유발 전위를 이용하여 피질 흥분성의 변화를 아티팩트 없이 정확하게 모니터링할 수 있습니다.

이 새로운 접근법은 다른 모든 형태의 경두개 전기 자극의 온라인 효과를 테스트하는 데 사용될 수 있습니다.