Transcraniële Direct Current Stimulatie en Gelijktijdige Functional Magnetic Resonance Imaging

Samenvatting

Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatie techniek. Het is met succes gebruikt in fundamenteel onderzoek en klinische instellingen hersenfunctie bij mensen moduleren. Dit artikel beschrijft de uitvoering van tDCS en gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), om de neurale basis van tDCS effecten te onderzoeken.

Samenvatting

Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatie techniek zijn zwakke elektrische stroom toegediend aan de hoofdhuid corticale prikkelbaarheid manipuleren en bijgevolg gedrag en hersenfunctie gebruikt. In de afgelopen tien jaar hebben tal van studies op korte termijn en lange termijn effecten van tDCS op verschillende maatregelen van gedrags-prestaties tijdens motorische en cognitieve taken aan bod, zowel in gezonde individuen en in een aantal verschillende patiëntenpopulaties. Tot nu toe echter weinig bekend over de neurale onderbouwing van tDCS-actie bij de mens met betrekking tot grootschalige hersenen netwerken. Dit probleem kan worden aangepakt door een combinatie van tDCS met functionele brain imaging technieken, zoals functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) of elektro-encefalogram (EEG).

Vooral fMRI is de meest gebruikte brain imaging techniek om de neurale mechanismen cognitie en motoriek onderzoeken. Applicatiop van tDCS tijdens fMRI maakt analyse van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan gedrag tDCS effecten met een hoge ruimtelijke resolutie over het hele brein. Recente studies met behulp van deze techniek worden aangewezen stimulatie geïnduceerde veranderingen in taak-gerelateerde functionele hersenactiviteit op het stimuleren site en ook in de meer afgelegen gebieden van de hersenen, die werden geassocieerd met gedrags-verbetering. Daarnaast tDCS toegediend tijdens rust-state fMRI toegestaan ​​identificatie van grootschalige veranderingen in de hele hersenen functionele connectiviteit.

Toekomstige studies met behulp van deze gecombineerde protocol moet nieuwe inzichten in de mechanismen van tDCS actie bij gezondheid en ziekte en nieuwe opties voor meer gerichte toepassing van tDCS in onderzoek en klinische settings opleveren. De huidige manuscript beschrijft deze nieuwe techniek in een stap-voor-stap-mode, met een focus op technische aspecten van tDCS toegediend tijdens fMRI.

Inleiding

Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve methode hersenstimulatie waarin corticale werking wordt gemoduleerd door middel van een zwakke elektrische stroom (gewoonlijk 1-2 mA) geprojecteerd tussen twee scalp elektroden aangebracht. Fysiologisch tDCS induceert een polariteit afhankelijke verandering in neuronale rust membraanpotentiaal (RMP) binnen de beoogde corticale gebied door de manipulatie van natrium-en calciumkanalen, waardoor veranderingen in corticale prikkelbaarheid ¹ bevorderen. Concreet heeft anodische stimulering (atDCS) is aangetoond dat corticale activiteit te verhogen via depolarisatie van neuronale RMP terwijl kathodische stimulatie (ctDCS) vermindert corticale prikkelbaarheid ^2. Vergeleken met andere vormen van hersenstimulatie (bijv. transcraniële magnetische stimulatie) veiligheid is goed ingeburgerd en tot nu toe geen ernstige bijwerkingen zijn gemeld, ook in kwetsbare bevolkingsgroepen ^{3, 4.} Ook, althans voor Lower stimulatie intensiteiten (tot 1 mA), een effectieve placebo ("schijnvertoning") stimulatie voorwaarde bestaat ^5, waardoor effectieve blindering van deelnemers en onderzoekers om de stimulatie voorwaarden, waardoor tDCS een aantrekkelijk instrument in experimenteel en klinisch onderzoek instellingen.

Talrijke studies tot nu toe is gebleken dat deze veranderingen in corticale prikkelbaarheid kan tot gedragsmodulaties. In het motorische systeem, hebben consequent polariteit afhankelijke effecten gemeld ^{1, 6} voor zowel atDCS en ctDCS. Cognitieve studies, de meeste studies die atDCS gebruikt om cognitieve functies te verbeteren gerapporteerd gunstige effecten op de prestaties ^7, terwijl ctDCS vaak niet leiden tot verminderde cognitieve verwerking. Dit laatste kan worden verklaard door de grotere redundantie van neurale verwerking middelen onderliggende cognitie ^6. De meerderheid van tDCS studies cross-over designs gebruikt om te studerende directe effecten van de stimulatie, die de beëindiging van de huidige slechts gedurende korte perioden ¹ overleven. Echter, is gesuggereerd dat de stimulatie effecten op de eiwitsynthese, dwz het neurale mechanisme dat ten grondslag vaardigheidsaanwinst ⁸ herhaald. Inderdaad, kan motorische of cognitieve training succes worden versterkt wanneer het wordt gecombineerd met herhaalde tDCS sessies en stabiliteit op lange termijn van deze verbeteringen zijn gemeld duren tot enkele maanden bij gezonde volwassenen ^8-10. Dergelijke bevindingen zijn ook leidde tot belangstelling voor het gebruik van tDCS in klinische vraagstellingen en voorlopige gegevens suggereren dat het ook nuttig als een primaire of aanvulling behandelingsbenadering in verschillende klinische populaties ³ kan zijn. Echter, terwijl een relatief groot aantal studies gericht neurofysiologische effecten van tDCS in het motorische systeem, is weinig bekend over de onderliggende neurale mechanismen van tDCS effecten op de cognitieve hersenfuncties bij gezondheid en ziekte.Een beter begrip van het werkingsmechanisme van tDCS is een noodzakelijke voorwaarde voor meer gerichte toepassingen van tDCS in onderzoek en klinische settings.

Dit probleem kan worden aangepakt door een combinatie van tDCS met functionele brain imaging technieken zoals elektro-encefalogram (EEG) of functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). De meerderheid van de onderzoeken naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen cognitie en motorische functies hebben ervoor gekozen om in dienst fMRI ^11. In het bijzonder, fMRI is de meest gebruikte brain imaging techniek om de neurale mechanismen die ten grondslag liggen cognitie en motorische functies ¹¹ onderzoeken. Bovendien, in combinatie met gelijktijdige toepassing van tDCS, fMRI maakt het bestuderen van de neurale mechanismen gedrag tDCS effecten met een hogere ruimtelijke resolutie over de gehele hersenen vergeleken EEG (voor recente beschrijvingen Gecombineerd tDCS-EEG bekijken Schestatsky et al.. ^12). De huidige manuscript beschrijft the gecombineerde gebruik van tDCS tijdens gelijktijdige fMRI. Deze nieuwe techniek is met succes gebruikt om de neurale mechanismen tDCS veroorzaakte modulaties van motorische en cognitieve functies ^13-19 bestuderen. In de toekomst zal deze gecombineerde protocol nieuwe inzichten in de mechanismen van tDCS actie in gezondheid en ziekte opleveren. Inzicht in de impact van tDCS grootschalige neurale netwerken zoals gemeten met deze techniek kan de basis voor meer gerichte toepassing van tDCS in onderzoek en klinische settings te leggen.

Het manuscript zal zich richten op de verschillen tussen gedrags tDCS experimenten en het gecombineerde gebruik van tDCS tijdens gelijktijdige fMRI, met een specifieke nadruk op de hardware-eisen, de uitvoering van de techniek, en veiligheidsoverwegingen. Als voorbeeld, een enkele sessie van tDCS tijdens task afwezig rusttoestand (RS) fMRI en tijdens een taaltaak ^{14, 15} w toegediend aan de linker inferieure frontale gyrus (IFG)ziek worden beschreven, hoewel vele andere toepassingen mogelijk zijn ^{16, 19.} Details van het experimenteel ontwerp, kenmerken van de deelnemer en fMRI data-analyse procedures zijn in detail beschreven in de oorspronkelijke publicaties ^14,15 en vallen buiten het bestek van dit manuscript. Voorts is in deze studies, een extra fMRI scan die betrokken schijnvertoning tDCS werd verworven en vergeleken met de resultaten van de atDCS sessie (zie "Representatieve resultaten" voor details). Deze sessie was identiek aan die in de onderhavige manuscript beschreven, behalve dat de stimulatie werd beëindigd voor de start van de sessie scannen (zie Figuur 1 voor details). De huidige procedure is met succes in een 3-Tesla Siemens Trio MRI-scanner op het Berlijnse Centrum voor Advanced Imaging (Charite University Medicine, Berlijn, Duitsland) uitgevoerd, en moeten in beginsel van toepassing zijn op andere scanners ook ^13.

Protocol

1. Contra-indicaties en bijzondere overwegingen

1. Grondig screenen deelnemers voor MRI contra-indicaties (bijvoorbeeld pacemakers, claustrofobie, etc.) en exclusief indien nodig. Acquire standaard vragenlijsten op klinische of onderzoeksinstellingen die MRI-scanners te bedienen. Gehoorzamen altijd standaard veiligheidsprocedures bij het betreden van de scanner kamer.
2. Grondig screenen deelnemers voor contra-indicaties voor tDCS. Deze kunnen overlappen met contra-indicaties voor MRI. Zie Villamar et al.. ²⁰ voor een voorbeeld.
3. Neem contact op met de operationele faciliteit over de lokale veiligheid en ethiek regelgeving en het verkrijgen van benodigde machtigingen. Test voor potentiële beeldvormingsartefacten geïnduceerd door de stimulatie huidige of tDCS apparatuur voor aanvang van de eigenlijke experiment (bijvoorbeeld door het testen van de invloed van tDCS van de signaal-ruisverhouding ^{17, 18).}

2. FMRI Setup, Experimental Design, and Materials

Opmerking: Het gebruik van tDCS in een MRI-scanner vereist speciale apparatuur. Vooral bepaalde MRI-compatibele kabels, filterkasten, elektroden en riemen elektroden hechten onderlinge proefpersonen nodig. Figuur 2 toont (A) standaard tDCS landbouwmachines en (B) componenten voor gebruik bij MRI. De laatste componenten zijn noodzakelijk om de mogelijkheid van verwarming onder de elektroden door radiofrequente pulsen die tijdens MRI voorkomen. Bovendien kunnen hoogfrequente beeldvormingsartefacten worden geïnduceerd door de tDCS apparaat. Beide kunnen voorkomen worden door filterkasten buiten en binnen de scannerruimte gepositioneerd kabels met weerstanden en speciale MRI-compatibel geleidend rubber elektroden.

1. Voer algemene experimentele opstelling en sequenties voor de fMRI experiment. Beide hangen af ​​van de doelstellingen van de studie. Let op: de onderstaande protocol is specific dit experiment, maar kan worden aangepast aan toepassing op een aantal verschillende experimentele omstandigheden.
2. Gebruik een desktop computer met stimulus presentatie-software geïnstalleerd voor een taal taak die visuele presentatie van semantische categorieën in de scanner gaat. Presenteren deze stimuli op een scherm in de scanner via een projector aangesloten op de computer en een systeem van spiegels.
3. Gebruik een MRI-compatibele microfoon voor de transmissie van openlijke verbale reacties. Acquire twee functionele sequenties tijdens tDCS: vijf minuten task-afwezig RS-sequentie en een openlijke semantische woord generatie taak. Opmerking: additionele data van de proefopstelling zijn fMRI sequenties en stimuli eerder beschreven ^{14, 15} en Figuur 1 illustreert het experiment.
4. Voor het instellen van de tDCS apparaat, het programma van het apparaat naar een constante gelijkstroom van 1 mA gedurende 20 minuten te leveren aan de gehele duur van de twee functionele scan dekkens, waaronder de korte pauzes en tijd voor instructies tussen scans ^{14, 15.} Zorgen ervoor dat de stimulator voldoende is opgeladen; anders kan het uitschakelen tijdens het experiment.
5. Zorg ervoor dat alle benodigde materialen zijn beschikbaar (figuur 2).

3. TDCS Setup buiten-en binnenkant van de Scanner (Zie figuur 3 voor een schematisch overzicht)

1. Plaats het buitenste filter box dichtbij de radiofrequentie filter (RF) buis (de penetratiepunt van de radiofrequentie schild van de MRI scanner die gebruikt kan worden om kabels invoegen van buiten de scanner). Sluit stimulator met de buitenkant van de doos met behulp van stimulator kabel. Binnenste en buitenste filter doos mag niet worden verwisseld. Opmerking: Figuur 4A illustreert de tDCS opzet buiten de scanner. De buitendoos is duidelijk aangegeven in figuur 4B.
2. Meet kabellengte nodig om herberg te sluitener met omdoos behulp box kabel (zie volgende punt met betrekking tot positionering van de kabel in de scanner kamer). Steek doos kabel in RF-buis vanaf de buitenkant van de scanner en sluit met buitenste filter box (Figuur 4A).
3. Plaats binnenste filter box in het achtereinde van de scanner boring (figuur 5); met plakband op zijn plaats te houden. Sluit de kabel box met binnen filter doos en lussen in de kabels te vermijden omdat deze RF-verhitting veroorzaken. Opmerking: De kabel moet worden aangepast aan de wanden van de scanner kamer en bevestigd met plakband (figuur 3).

4. Deelnemer Voorbereiding en positionering van de deelnemer in Scanner

1. Zoals bij conventionele tDCS set-ups, inspecteren de huid van de deelnemer voor een reeds bestaande laesies, bewegen haar weg, schone huid met alcohol te verwijderen haarlak, bodylotion, enz. de huid geleidbaarheid onder de elektroden ^12, 21.
2. Geniet spons zakken met zoutoplossing en steek MRI-compatibele elektroden in de zakken (zie DaSilva ²¹ voor algemene overwegingen van de deelnemer voorbereiding en elektrode positionering).
3. Mark elektrode posities op de hoofden proefpersonen met behulp van een pen die geen ferromagnetische sporen (bijv. gebruik geen eyeliner) verlaat. Bepaal doel positie voor anode gebruik 10-20 EEG-systeem (hier: links IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Om dit te doen, zoek (a) de kruising van T3-F3 en F7-C3 en (b) het middelpunt tussen F7-F3. De doelpositie is in het midden van een lijn tussen de punten (a) en (b). Plaats kathode (10 x 10 cm ²⁾ over RV supraorbital positie (voor details van plaatsing van de elektroden te zien Meinzer et al.. ^{14, 15).} Bevestig elektroden op het hoofd met behulp van elastiek.
4. Begeleiden de deelnemer achter de scanner en sluit elektrode kabel met de innerlijke filtER doos. Schakel de stimulator en testen impedantie door tegelijkertijd op de rechterbovenhoek en de onderste knop links van de stimulator. Als de impedantie limieten bereikt, dan zal de stimulator automatisch. Als dit gebeurt, controleer dan of elektroden hebben contact met de hoofdhuid, schone huid weer of meer zoutoplossing toepassing indien sponzen te droog zijn geworden, en dan controleren of een kabel is gebroken. Opmerking: Impedantie is doorgaans hoger in vergelijking met conventionele set-ups vanwege extra kabels en filter dozen tussen stimulator en elektroden.
5. Begeleiden deelnemer in de scanner kamer (na een laatste veiligheidscontrole). Plaats de deelnemer op de scanner gantry en zorg dat elektroden steeds in de juiste positie. Sluit het hoofd spoel. De elektrode kabel dient te worden gevoed via het linker deel van het hoofd spoel (zie figuur 6) of volgens de aanbevelingen van de fabrikant.
6. Verplaats deelnemer in scanner boring. Zorg ervoor dat de kabel doenes niet vangen op de balk en breek (zie figuur 6 voor een mogelijke teruggetrokken positie van de kabel tijdens deze fase). Wanneer de deelnemer de uiteindelijke positie in de scanner heeft bereikt, te bereiken voor de elektrode los van de achterkant van de scanner en sluit deze aan op de binnenste filter doos. Overhandigen noodknop om deelnemer en laat de scanner kamer.

5. Vanaf het Stimuleringsprogramma

1. Gebruik scanner intercom om de deelnemer te informeren over de start van het scannen sessie. Start de structurele localizer scan (hoofd positie van deelnemer in de scanner te bepalen en zorgen voor de planning van de volgende functionele en structurele scans) met behulp van scanning console. Inspecteer localizer scan hoogfrequente artefacten: Dubbelklik op localizer scan na het einde van de periode van verwerving en het contrast aan te passen (voor Siemens Trio door met de rechter muisknop ingedrukt te houden en de muis te bewegen naar links en rechts, voor voorbeelden zie figuren 7Aen 7B).
2. Gebruik scanner intercom het onderwerp dat de stimulatie begint te communiceren en dat hij / zij kan een tintelend gevoel op de hoofdhuid voor korte tijd voelen. Herhaal instructies voor eerste functionele scan. In dit voorbeeld, instrueren de deelnemer aan de ogen gesloten voor de duur van de scan (5 min) te houden, zo weinig mogelijk bewegen en denk aan niets in het bijzonder. Zorg ervoor dat de projector is uitgeschakeld (scherm in de scanner boring is zwart) om visuele stimulatie tijdens RS-scan te voorkomen.
3. Start stimulatie handmatig ongeveer 1-2 minuten voor aanvang van de eerste functionele scan (RS-scan). Gebruik scanner console RS-sequentie te laden. Dubbelklik op de RS-sequence open field-of-view (FOV), aan te passen positie om het hele brein te dekken en af ​​te stemmen ongeveer met de anterior-posterior commissuur. Start de eerste scan (met behulp van de knop START scan).
4. Monitor impedantie gedurende het experiment. Opmerking: Als de experiment wordt uitgevoerd in een dubbelblind modus (deelnemer en onderzoeker worden blind voor de stimulatie), kan een tweede onderzoeker nodig zijn om de impedantie te bewaken.
5. Terwijl de RS-sequentie wordt uitgevoerd, laadt tweede functionele beeldvorming volgorde (voor volgende taaltaak) en stel FOV, op basis van scanner console zoals hierboven, om tijd nodig tussen de scans te verminderen. Na afloop van de RS-sequentie Schakel projector zodat een visuele weergave van experimentele stimuli tijdens taaltaak. Dubbelklik op de presentatie-software icoon en belasting taal paradigma. Gebruik scanner intercom om instructies voor taakgerelateerde fMRI paradigma herhalen en beginnen met de taak ^{14, 15.}
6. Na afloop van de stimulatie / fMRI experiment voortgezet met de geplande structurele scans. Niet loskoppelen elektrode kabels tot het einde van het scannen sessie.
7. Aan het einde van het experiment, koppelt elektrode kabel vanuit innerlijke filter doos alvorens deelnemer uitscanner boring. Verwijder deelnemer uit de scanner, los hoofd spoel en vraag de deelnemer te gaan zitten en te verwijderen elektroden voorzichtig.

Resultaten

Functionele MRI is de meest gebruikte functionele beeldvormende techniek om de onderliggende neurale mechanismen van motorische of cognitieve functies pakken. Meer recent is fMRI ook gebruikt om tDCS effecten op corticale en-connectiviteit evalueren. De meeste van deze studies toegediend tDCS buiten de scanner en geëvalueerd offline effecten van de stimulatie (bijvoorbeeld vóór het scannen ^{22, 23} toegediend tDCS). Slechts enkele studies tot nu toe hebben tDCS toegediend tijdens gelijktijdige fMRI, me...

Discussie

De gecombineerde toepassing van tDCS met gelijktijdige fMRI heeft aangetoond potentieel voor het ophelderen van de neurale onderbouwing van de onmiddellijke gevolgen van de stimulatie in de gehele hersenen met een hoge ruimtelijke resolutie ^13-19. In de toekomst kunnen dergelijke studies worden aangevuld met gecombineerde EEG-tDCS studies, de superieure temporale resolutie van de laatste techniek benutten. Bovendien intrascanner stimulatie kan worden nagegaan juiste positionering van de elektroden op de hoofd...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Germany	21
Hardware uitbreiding DC-Stimulator MR (2 MRI-compatibele rubberelektroden, elektrode- en boxkabel en binnenfilterbox; buitenfilterbox en stimulatorkabel)	NeuroConn, Illmenau, Germany
2 Spons pads voor rubberelektroden (7 cm x 5 cm en 10 cm x 10 cm)	NeuroConn, Illmenau, Germany
Rubber hoofdband
NaCl-oplossing
Meetlint			Om de elektrodepositie te bepalen met behulp van het EEG 10-20 systeem
Pen			Gebruikt tijdens elektrodepositionering