Methodenartikel

Effecten van Transcraniële wisselstroom stimulatie op de primaire motorische Cortex door Online-gecombineerde aanpak met Transcraniële magnetische stimulatie

DOI:

10.3791/55839

⸱

23 september 2017

 ,  , 
1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC's) kunnen de modulering van de corticale prikkelbaarheid in een frequentie-specifieke mode. Hier laten we een unieke aanpak die online TAC's met één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) combineert om corticale prikkelbaarheid "probe" door middel van Motor Evoked Potentials.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC's) is een neuromodulatory techniek kunnen handelen via sinusvormige elektrische golfvormen in een specifieke frequentie en op zijn beurt moduleren lopende corticale oscillerende activiteit. Deze neurotool kan de oprichting van een causaal verband tussen endogene oscillerende activiteit en gedrag. De meeste van de TAC's studies gebleken online effecten van de TAC's. Nochtans, is weinig bekend over de mechanismen van de actie van deze techniek vanwege de AC-geïnduceerde artefacten op elektro-encefalografie (EEG) signalen. Hier laten we een unieke benadering van online fysiologische frequentie-specifieke effecten van de TAC's voor de primaire motorische cortex (M1) onderzoeken met behulp van één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) sonde corticale prikkelbaarheid wijzigingen. In onze opstelling, wordt de TMS spoel geplaatst over de TAC's elektrode terwijl Motor Evoked Potentials (Europarlementariërs) worden verzameld om te testen van de gevolgen van de lopende M1-TAC's. Deze aanpak is tot nu toe voornamelijk gebruikt om te studeren van de visuele en motorische systemen. Echter, de huidige TAC's-TMS setup kan de weg vrijmaken voor toekomstige onderzoeken van cognitieve functies. Wij bieden daarom een stapsgewijze handleiding en video richtsnoeren voor de procedure.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrische stimulatie transcranial (tES) is een neuromodulatory techniek die het mogelijk maakt van de wijziging van neuronale Staten door middel van verschillende huidige golfvormen1. Onder verschillende soorten tES, Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC's) in staat stelt de levering van sinusvormige externe oscillerende potentieel in een specifieke frequentiebereik en de modulatie van fysiologische, neurale activiteit onderliggende perceptuele, motorische en cognitieve processen2. Met behulp van TAC's, is het mogelijk om te onderzoeken op mogelijke oorzakelijke verbanden tussen endogene oscillerende activiteit en hersenen processen.

In vivo, is gebleken dat bij verschillende drijvende frequenties, suggereren dat neuronale afvuren entrained kan worden door de elektrisch toegepaste velden3stekelige neurale activiteit wordt gesynchroniseerd. In diermodellen entrains zwakke sinusvormige TAC de ontladen frequentie van de wijdverbreide corticale neuronale zwembad4. Bij de mens kan TAC's gecombineerd met online elektro-encefalografie (EEG) de inductie van de zogenaamde "Entrainment" effect op de endogene oscillerende activiteit door interactie met hersenen oscillaties in een frequentie-specifieke wijze5. TAC's combineren met neuroimaging methoden voor een beter begrip van de online mechanismen is echter nog steeds twijfelachtig vanwege AC-geïnduceerde artefacten6. Daarnaast is het niet mogelijk om direct opnemen van het EEG signaal over de gestimuleerde doelgebied zonder gebruik te maken van een ring-achtige elektrode die een twijfelachtige oplossing7 is. Dus, is er een gebrek aan systematische studies over dit onderwerp.

Tot nu toe is er geen duidelijk bewijs over de blijvende gevolgen van de TAC's na stopzetting van de stimulatie. Slechts een paar studies hebben aangetoond zwak en onduidelijk nawerkingen van TAC's op het locomotorisch stelsel8. Bovendien is de EEG bewijs nog niet duidelijk over de nawerkingen van TAC's9. Aan de andere kant, de meeste TAC's studies toonden prominente online effecten10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, die moeilijk te meten op een fysiologische niveau omwille van technische beperkingen. Dus, het hoofddoel van onze methode is bedoeld als een alternatieve benadering om te testen online en frequentie-afhankelijke effecten van TAC's op de motorschors (M1) door het leveren van één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS). TMS kan onderzoekers naar de fysiologische toestand van de mens motorische cortex19"probe". Bovendien, door het opnemen van Motor Evoked Potentials (MEP) op de certificaathouder contralaterale hand, we kunnen onderzoeken de gevolgen van de lopende TAC's11. Deze aanpak laat ons nauwkeurig monitor wijzigingen in corticospinal prikkelbaarheid door het meten van de MEP amplitude tijdens online elektrische stimulatie op verschillende frequenties in een artefact-vrije mode geleverd. Daarnaast kan deze benadering ook online effecten van elke andere golfvorm van tES testen.

Om aan te tonen van de effecten van de gecombineerde TAC's-TMS, zullen we laten zien het protocol door het toepassen van 20 Hz AC stimulatie over de primaire motorische cortex (M1) terwijl online neuronavigated één puls TMS wordt geleverd afgewisseld door willekeurige tussenpozen van 3 tot en met 5 s om te testen M1 corticale prikkelbaarheid.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

alle procedures door de Commissie van de lokale onderzoek-ethiek van de hogere School of Economics (HSE), Moskou, met toestemming van alle deelnemers waren goedgekeurd.

Opmerking: deelnemers moeten melden geen geschiedenis van de geïmplanteerde metalen apparaten, neurologische of psychiatrische ziekte, drugsmisbruik of alcoholisme. TMS wordt gebruikt volgens de meest recente veiligheid richtsnoeren 20. Onderwerpen moeten volledig worden geïnformeerd over de aard van het onderzoek en teken een vorm van geïnformeerde toestemming voordat het experiment. Laten we zien een volledige set van apparatuur die nodig is om de online-gecombineerd TAC's-TMS-protocol worden uitgevoerd door stimulatie van de dominante M1 ( Figuur 1; Tabel van materialen).

1. plaats elektromyografie (EMG) elektroden in een bipolaire buik-pees-Montage

  1. reinigen van de huid met behulp van een reiniging scrub onder alle de elektroden om lage huid impedantie (onder 10 kOhm).
  2. Plaats van de actieve EMG elektrode op de eerste rugvin interosseous (FDI) spier, referentie-elektrode op het bot 2 cm distally en de grond-elektrode, meer proximally op het wapen

2. Identificeren van het doel voor de stimulatie-Protocol

Opmerking: hier, wij gebruiken het frameloze TMS navigatiesysteem om een juiste plaatsing van de spoel TMS.

  1. De tracking-sensoren op de glabella tussen de wenkbrauwen en boven de neus van de deelnemer plaatst.
  2. De navigatie systeemsoftware niet openen. Individuele deelnemers gebruiken ' Landeninformatie T1 Magnetic Resonance Imaging (MRI) en het uitvoeren van een co registratie van de deelnemer ' s kop en een 3D kop van de MRI via het navigatiesysteem.
  3. Nauwkeurig, plaatst u de spoel boven het primaire motor hand-gebied, de zogenaamde " motor Schakelpook " regio ( Figuur 2).
  4. Beginnen met het toepassen van enkele puls TMS en testen van de leden van het Parlement; TMS wordt geleverd door een stimulator (Zie Tabel van materialen) aangesloten op een standaard-van-8-figuur 75-mm spoel. Om te lokaliseren de " hotspot " van de linker M1, houden de spoel raakvlak aan de hoofdhuid, met het handvat wijzen achterwaarts en zijwaarts, 45 ° schuin vanaf de middellijn Sagittaal as van de deelnemer ' s hoofd.
  5. Zodra de hotspot (dat wil zeggen, het punt van de hoofdhuid opwekken afgevaardigden op de drempel van de contralaterale hand spieren onderzocht) wordt gevonden, gemarkeerd met een potlood ter vergemakkelijking van de toepassing van de TAC's doel elektrode.

3. TAC's elektroden voorbereiding

  1. Connect 2 oppervlakte saline gedrenkte spons elektroden (grootte: 5 x 7 cm) naar het apparaat van de stimulatie, die kan leiden tot elektrische wisselstroom (bijvoorbeeld Brainstim).
  2. Om te minimaliseren huid sensatie, voortdurend verzadigen de elektroden met een zoutoplossing te houden impedances hieronder 10 kOhm tijdens de hele stimulatie sessie.

4. TAC's Protocol Set Up

  1. voor het instellen van het protocol van de TAC's met behulp van de stimulator apparaat, Controleer eerst de batterijstatus.
  2. Met behulp van de software, een nieuwe sessie te openen en beheren van een nieuw protocol voor de stimulatie.
    1. Naam van het protocol (bijvoorbeeld " Beta ").
    2. Stelt u de frequentie van de stimulatie (bijvoorbeeld 20 Hz).
    3. Kies de golfvorm (bijvoorbeeld sinusvormige).
    4. De totale duur van de stimulatie protocol (bijvoorbeeld 600 s).
    5. Ten slotte, de intensiteit van de stimulatie (bijvoorbeeld 1 mA) ingesteld, offset, fade-in, fade-out, en fase op " 0 ".
      Opmerking: een beetje timing te vervagen in en uit de stimulatie (ongeveer 30 s) kan worden voorgesteld, teneinde eventuele ongewenste of ongemakkelijk hormoonfuncties effecten voor het onderwerp.
    6. Activeren het apparaat ' s " Bluetooth " functioneren en uploaden van het protocol van de software bij de stimulator.

5. TAC's elektroden Montage

  1. Place de " doel " elektrode over de hoofdhuid die overeenkomt met het gemarkeerde punt. Plaats de " referentie " elektrode over de ipsilaterale schouder met behulp van specifieke plakband, in een " monopolaire montage " 21.
  2. Aanpassen zorgvuldig de eerste elastische band op het hoofd met betrekking tot de positie van de hoofd-sensors neuro-navigatie. Dan, met behulp van de tweede band, fix de positie van het doel-elektrode.
  3. Zodra de elektroden van de TAC's zijn geplaatst op de hoofdhuid, zowel op de ipsilaterale schouder, sluit ze aan op de stimulator.
  4. Vóór het begin van de sessie stimulatie, zorgen door visuele inspectie dat de positie van de doel-elektrode is gecentreerd over de gemarkeerde hotspot.

6. Identificatie van de rusten Motor drempel (RMT)

  1. plaats de TMS coil over de elektrode van de TAC's doel zorgvuldig de spoel antenne en via de hotspot ( Figuur 3) met behulp van het neuro-navigatiesysteem.
  2. Meten de RMT dienovereenkomstig met de gecombineerde TAC's-TMS setup (dat wil zeggen, TMS spoel over de elektrode). In het bijzonder de TMS-intensiteit met betrekking tot de dikte van de elektrode van de TAC's aanpassen teneinde na te gaan voor een betrouwbare RMT.
    1. De RMT individueel meten, het is gedefinieerd als de minimale intensiteit die nodig zijn voor het opwekken van een MEP in het BDI-spier met een amplitude van 50 mV (piek-tot-piek) in 5 van de 10 proeven 22.
  3. De intensiteit van de stimulatie van TMS op 110% van de RMT ingesteld om te beginnen met de experimentele sessie.

7. experimentele Procedure

  1. de EMG-software niet openen en beginnen met EMG opnemen.
  2. Start van de TAC's stimulatie.
  3. Tijdens de stimulatie, leveren enkele pulsen TMS afgewisseld door willekeurige tussenpozen van 3 tot 5 seconden.
  4. Zorgen ervoor dat elke sessie van de stimulatie (20 Hz bijvoorbeeld een gevolgd door een schijnvertoning/een ander besturingselement frequentie van TAC's stimulatie) niet meer dan 90 seconden met een interval van Inter sessie ongeveer 3 minuten, duurt teneinde mogelijke overdracht effect van de voorafgaand aan stimulatie frequentie/voorwaarde 11 , 13.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het eerste bewijs van een gecombineerde aanpak van TAC's / TMS bleek door Kanai et al. in 2010. In deze studie, de auteurs toegepast TAC's over de primaire visuele cortex (V1) en een specifieke frequentie-modulering van de visuele corticale prikkelbaarheid gemeten door online TMS-geïnduceerde fosfeen perceptie15aangetoond. Een meer verfijnde versie van het protocol goedgekeurd om te onderzoeken een fysiologische modulatie van de prikkelbaarheid van de moto...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze aanpak vormt een unieke gelegenheid om direct online effecten van de TAC's voor de primaire motorische cortex testen door het meten van corticospinal output door EP-leden opnemen. Echter, de plaatsing van de spoel TMS over de TAC's elektrode vertegenwoordigt een kritieke stap die nauwkeurig moet worden uitgevoerd. Daarom raden we ten eerste onderzoekers vinden een doelpunt door één puls TMS, vervolgens markeren op de hoofdhuid en pas daarna, plaats de elektrode van de TAC's over de hotspot. Bovendien ondersteunt de ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd ondersteund door Russische Science Foundation verlenen (contractnummer: 17-11-01273). Speciale dank aan Andrey Afanasov en collega's van multifunctionele innovatiecentrum voor televisie Technics (National Research University, hogere School of Economics, Moskou, Russische Federatie) voor video-opname en videobewerking.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BrainStim, high-resolution transcranial stimulatorE.M.S., Bologna, ItalyEMS-BRAINSTIM
Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodesE.M.S., Bologna, ItalyEMS-CVBS15
Reusable conductive silicone electrodes 50x50mmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG970/2
Reusable spontex sponge for electrode 50x100mmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG916S
Rubber belts – 75 cmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-ER-PG905/8
Plastic non traumatic buttonE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Bologna, Italy
MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulatorMagVenture, Farum, Denmark9016E0731
8-shaped coil MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Denmark9016E0462
Chair with neckrestMagVenture, Farum, Denmark9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium editionLocalite, GmbH, Germany21223
Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Germany10226
MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1Localite, GmbH, Germany5221
Electrode wires for surface EMG EBNeuro, Italy 6515
Surface Electrodes for EEG/EMG EBNeuro, Italy 6515
BrainAmp ExG amplifier - bipolar amplifier Brain Products, GmbH, Germany
 BrainVision Recorder 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Germany
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company, USA
Syringes
Sticky tape
NaCl solution

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
  2. Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum. Neurosci. 7, 279(2013).
  3. Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
  4. Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
  5. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  6. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
  7. Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527(2016).
  8. Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
  9. Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311(2015).
  10. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  11. Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
  12. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  13. Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
  14. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
  15. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  16. Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090(2015).
  17. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  18. Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
  19. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
  20. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  21. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54(2015).
  22. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  23. Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
  24. Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
  25. Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39(2012).
  26. Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
  28. Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
  29. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Motorisch opgewekte potentialencorticale exciteerbaarheidfrequentiespecifieke effectentACS TMS protocolelektro encefalografie artefactensinusvormige golfvormstimulatie

Gerelateerde artikelen