Gelijktijdige transcraniale wisselstroomstimulatie en functionele magnetische resonantiebeeldvorming

Summary

Transcraniale wisselstroom stimulatie (tACS) is een veelbelovend instrument voor het niet-invasieve onderzoek naar hersenoscillaties, hoewel de effecten ervan niet volledig begrepen worden. Dit artikel beschrijft een veilige en betrouwbare installatie voor het tegelijkertijd toepassen van tACS met functionele magnetische resonantiebeelden, die de oscillatoire hersenfunctie en effecten van tACS kunnen vergroten.

Abstract

Transcraniale wisselstroom stimulatie (tACS) is een veelbelovend instrument voor het niet-invasieve onderzoek naar hersenoscillaties. TACS gebruikt frequentie-specifieke stimulatie van het menselijk brein door middel van stroom die op de hoofdhuid wordt aangebracht met oppervlaktelektroden. De meest actuele kennis van de techniek is gebaseerd op gedragsstudies; Zo combineert de methode met hersenbeelden potentieel om de mechanismen van tACS beter te begrijpen. Door elektrische en gevoelige artefacten kan het combineren van tACS met hersenbeelden uitdagend zijn, maar een hersenbeeldvormingstechniek die geschikt is om gelijktijdig met tACS te worden toegepast, is functioneel magnetisch resonantiebeeldvorming (fMRI). In ons laboratorium hebben we tACS met gelijktijdige fMRI-metingen succesvol gecombineerd om aan te tonen dat tACS-effecten de toestand, de huidige en de frequentie afhankelijke zijn en dat de modulatie van de hersenactiviteit niet beperkt is tot het gebied direct onder de elektroden. In dit artikel wordt een veilige en betrouwbare set beschrevenTACS tegelijkertijd toepassen bij visuele taak fMRI studies, die kunnen leiden tot een begrip van de oscillatoire hersenfunctie en de effecten van tACS op de hersenen.

Introduction

Transcraniale wisselstroom stimulatie (tACS) is een niet-invasieve hersenstimulatietechniek met belofte om neurale oscillaties en frequentie-specifieke hersenfuncties bij gezonde individuen te onderzoeken en om oscillaties in klinische populaties te bestuderen en moduleren ¹ . Met behulp van twee of meer geleidende elektroden die op de hoofdhuid worden geplaatst, worden de sinusvormige golven met lage stroom (1-2 mA piek-tot-piek) op de hersenen toegepast op een gewenste frequentie om te interageren met lopende neurale oscillaties. TACS-studies hebben frequentie- en taakspecifieke gedrags- of cognitieve modulaties gemeten, waaronder maar niet beperkt tot motorfunctie ² , werkgeheugenprestatie ³ , somatosensatie ⁴ en visuele waarneming ^{5 , 6 , 7} . Het toepassen van wisselstroom op een niet-invasieve manier heeft ook geleid tot functioneleVerbetering van neurologische patiënten, zoals vermindering van tremor in de ziekte van Parkinson ⁸ , verbeterde visie bij optische neuropathie ⁹ , en verbeterde spraak-, sensorische en motorische herstel na beroerte ¹⁰ . Ondanks het toenemende aantal studies met behulp van tACS voor onderzoek en bewijs van het therapeutische potentieel in klinische instellingen, worden de effecten van deze techniek niet volledig gekenmerkt, en zijn mechanismen zijn niet helemaal begrepen.

Simulaties en dierstudies kunnen inzicht geven in de effecten van wisselstromingsstimulatie op het cellulaire of neurale netwerkniveau onder gecontroleerde condities ^{11 , 12} , maar gezien de afhankelijkheid van effectieve stimulatietechnieken ^{13 , 14} laten dergelijke studies de hele foto niet open . TACS combineren met neuroimaging techniekenZoals elektroencefalografie (EEG) ^{15 , 16 , 17} , magnetoencefalografie (MEG) ^{18 , 19 , 20} of functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) ^{21 , 22 , 23 , 24} kunnen informeren over systeemniveaumodulatie van hersenfunctie. Echter, elke combinatie komt met technologische uitdagingen, vooral door stimulatie-geïnduceerde artefacten bij het meten van frequenties van interesse ¹⁵ . Hoewel de tijdelijke resolutie van fMRI niet overeenkomt met EEG- of MEG-metingen, is de ruimtelijke dekking en resolutie in corticale en subcortische hersenregio's superieur.

Onlangs hebben we in een gecombineerde tACS-fMRI studie de effecten van tACS op het zuurstofgehalte van het bloed aangetoond dEpendent (BOLD) signaal gemeten met fMRI zijn zowel frequentie als taakspecifiek, en dat de stimulatie niet noodzakelijkerwijs het grootste effect direct onder de elektroden uitoefent, maar in gebieden die ver weg zijn van de elektroden ²² . In een volgende studie onderzochten we het effect van tACS elektrode positie en frequentie op netwerkfunctie met behulp van amplitude van lage frequentie schommelingen en rustende functionele connectiviteit, met inbegrip van het gebruik van correlatiezaden van de meest direct gestimuleerde gebieden, zoals afgeleid van onderliggende stroomdichtheid simulaties. Met name in deze studie, alfa (10 Hz) en gamma (40 Hz) stimulatie, ontstonden vaak tegengestelde effecten in netwerkverbinding of op regionale modulatie ²³ . Daarnaast was het rustende-state netwerk dat het meest beïnvloed was het linker front-parietale besturingsnetwerk. Deze studies onderstrepen het potentieel voor het gebruik van fMRI om optimale parameters te bepalen voor effectieve, gecontroleerde stiopeenstapeling. Ook dragen zij bij aan het bewijs dat naast de gecontroleerde parameters, zoals taakconditie en timing, stimuleringsfrequentie en elektrodeposities, er vakspecifieke factoren zijn die het succes van tACS beïnvloeden. Voorbeelden van vakkenmerken die verdragen als oncontroleerbare variabelen bij het optimaliseren van stimulatieparameters zijn intrinsieke functionele connectiviteit, endogene oscillatiepiekfrequentie ( bijv . Individuele alphafrequentie) en schedel- en huiddikte ²⁵ . Gezien de huidige literatuur van tACS, zijn meer studies die tACS combineren met neurale metingen, zoals neuroimaging, nodig om uitgebreide procedures voor effectieve hersenstimulatietechnieken vast te stellen.

Hierin beschrijven we een veilige en betrouwbare setup voor experimenten die tegelijkertijd tACS toepassen met fMRI van een visuele taak, met nadruk op aspecten van de installatie en uitvoering die succesvol gesynchroniseerde tAC opleveren.S met artfact-vrije aanschaf van fMRI data.

Protocol

Doe alle experimenten volgens de richtlijnen van de ethische commissie. Voor alle studies genoemd in dit manuscript werden alle procedures uitgevoerd volgens de verklaring van Helsinki en goedgekeurd door de lokale ethische commissie van het Universitair Medisch Centrum Göttingen.

1. Stimulatie en Computer Setup voorafgaand aan Experiment

1. Stimulator setup
   OPMERKING: De stimulator die gebruikt wordt voor dit fMRI-experiment is een speciaal ontworpen magnetisch resonantie (MR) -compatibel systeem dat is uitgerust met een MR-veilige binnenfilterbox, een buitenfilterbox, veiligheidsweerstanden, gekoppelde kabels en MR-veilige materialen. Sommige instructies hebben betrekking op de instructies van de fabrikant en deze kunnen afwijken bij het gebruik van een andere stimulator. Volg daarom de instructies die door de fabrikant zijn verstrekt, die uitzonderingen kunnen vormen voor deze installatie. Figuur 1A toont de stimulatorComponenten die in deze experimentele setup worden gebruikt.
   1. Navigeer door het menu van de stimulator om de gewenste experimentele parameters te programmeren (raadpleeg de gebruikershandleiding voor details). Bijvoorbeeld, voor een stimuleringsfrequentie van 10 Hz, programma 10 cycli voor de oprit-en-neer-tijd van 1 s, 300 sinusvormige cycli voor 30 s stimulatie, stroomsterkte gelijk aan 1.000 μA en herhalende triggermodus, zoals uitgevoerd voor onze Experimenten tenzij anders vermeld. Sla het programma op om te laden voor elk moment dat het experiment daarna wordt uitgevoerd.
   2. Sluit de stimuluspresentatie-computer-trigger-uitgang aan op de stimulator via een BNC-kabel.
   3. Plaats een niet-magnetische, afgeschermde LAN-kabel via de radiofrequentie (RF) golfgeleiderbuis vanuit de binnenkant van de scannerruimte. Om weerstandscapacitieve koppeling te vermijden, zorg ervoor dat de kabel los van loops is en langs de wand van de kamer geplaatst is, naar achteren van de magneetboring en langs de rechterkant van de scanner bed railinG in de boring, wat leidt tot de positie van de binnenfilterdoos (zie figuur 1C en veiligheidsaanwijzing in stap 2.4 over de kabelpositie). Bevestig de kabel met tape die intermitterend op de lengte ervan is geplaatst.
2. Laad het visuele stimulusprogramma op een aangewezen presentatiecomputer die los staat van de scannerbesturingscomputer. Zoals afgebeeld in figuur 1C , sluit de presentatietoestel aan op de scanner-triggeruitgang via een optische-naar-elektrische omzetter en een uitgangsapparaat ( dat wil zeggen een projector) die in een afgeschermde behuizing of buiten de magneetkamer is geplaatst. Gebruik niet magnetische spiegels om de projectie op een scherm in de scannerboring te leiden.

2. Onderwerp Aankomst en voorbereiding

1. Voorgeschreven wervende onderwerpen voor eventuele contra-indicaties voor MR-scanning ( bijv . Geen metalen implantaten, geen claustrofobie, experimentspecifieke vakvoorwaarden) alsEvenals voor tACS ( bijv . Geschiedenis van aanvallen, chronische hoofdpijn, zwangerschap) ^{26 , 27} .
2. Wanneer het onderwerp aankomt, instructeer het onderwerp over de fMRI-experiment details en beschrijf de te verwachten ervaring (bijvoorbeeld visuele stimulus, tinteling of fosfenen uit tACS, speciale instructie instructies).
3. Plaats elektroden volgens het 10-20 EEG-systeem en stimulatorbereiding.
   1. Met behulp van een meetlint meet je de afstand op het hoofd van het onderwerp van de natie naar de inie en van oor tot oor, boven de bovenkant van het hoofd. Het snijpunt van beide lengtes geeft de positie op het hoofd voor Cz, volgens het 10-20 EEG-systeem. Merk de plek voor Cz op de hoofdhuid met behulp van een marker.
   2. Plaats een EEG-dop zonder elektroden op het hoofd van het onderwerp, met Cz in lijn met het teken op de hoofdhuid van het onderwerp, bepaal de gewenste plaats van de elektroden en markeer ze.
      NIETE: Het is belangrijk dat alle experimenten hetzelfde plaatsingssysteem gebruiken om consistentie door alle experimenten te waarborgen; Het 10-20 EEG-systeem, dat algemeen gebruikt wordt in transcraniale stimulatie-experimenten, heeft specifieke richtlijnen om de nauwkeurige elektrodepositie ^{26 , 28} te behouden.
   3. Gebruik alcohol- en katoenen pads, reinig het haar en de huid op en rond de gemarkeerde plekken op de hoofdhuid van het onderwerp; Verwijder oliën en haarproducten.
   4. Breng wat gel op de rubberelektroden en druk elke elektrode stevig op de gemarkeerde en schoongemaakte plaatsen op de hoofdhuid van het onderwerp. Zorg voor een volledig contact van de elektrode naar de hoofdhuid met minimale impedantie.
   5. Met behulp van een reserveafgeschermde LAN-kabel verbindt u de filterdozen en MR-veilige kabels aan de stimulator en aan de rubberelektroden zoals afgebeeld in Figuur 1A .
   6. Zet de stimulator aan en toets de impedantie (raadpleeg de gebruikerHandleiding voor details). Als de impedantie niet kleiner is dan 20 kΩ, druk dan de elektroden op de hoofdhuid of voeg de elektrodegel toe indien nodig, totdat deze impedantie richtlijn is voldaan.
   7. Als de impedantie lager is dan 20 kΩ, laat de stimulator de stroom gedurende een paar seconden uitvoeren om het onderwerp met de sensorische ervaring vertrouwd te maken. Vraag het onderwerp over zintuiglijke waarneming tijdens deze test, met inbegrip van of er tintelende sensatie bestaat en kan worden bestreden, en omvang of plaats van fosfenen tijdens stimulatie.
   8. Op dit moment is het onderwerp bereid om naar het scannerbed te gaan. Als u de elektrodekabel in de rubberelektroden op het onderwerp steekt, moet u de stimulator, de reserve LAN-kabel en de buitenste en binnenste filterdozen loskoppelen.
   9. Sluit de buitenfilterbox aan op de LAN-kabel die door de golfgeleider naar de MR-scanner loopt, zodat u zo weinig mogelijk LAN-kabel buiten de golfgeleider kunt laten (zie afbeelding 1B ). Verbind deStimulator naar de buitenste filterdoos met behulp van de stimulatorkabel en dubbel controleren of de stimulator is aangesloten op de presentatietrager-uitgang.
4. Bereid het onderwerp voor in de MR-scanner.
   OPMERKING: Figuur 1C toont de volledige tACS-fMRI setup tijdens het experiment. Het is van cruciaal belang om de kabels en binnenfilterdoos zoals aangegeven te regelen met de elektrodekabel op een hoek van ongeveer 90 ° op het vlak van het scannerbed en de binnenfilterbak op de scanner bedleder aan de rechterkant van de scanner boring. Het negeren van dit kan het veiligheidsschakeling van de elektrodekabel beschadigen; Deze configuratie is van toepassing op zowel open als gesloten RF spoelen.
   1. Nadat u ervoor zorgt dat het onderwerp vrij is van magnetische materialen en klaar is voor het MRI-experiment, leidt u het onderwerp naar de scannerruimte.
   2. Oordopjes voor gehoorbescherming aan het onderwerp geven, en instructeer het onderwerp om te liggenOp het scannerbed legt u kussens rond en onder het hoofd en onder de benen voor comfort en om de beweging te verminderen. Bij het plaatsen van de kussens achter het onderwerp van het onderwerp, let erop dat u de elektrodekabel plat en in een positie legt die comfortabel is voor het onderwerp om gedurende de duur van het experiment te liggen.
   3. Geef de alarmbal en MR-Safe Response-knop op het onderwerp om zo te houden dat er minimale beweging nodig is om een ​​knop in te drukken om in het experiment te reageren.
   4. Bevestig de RF kopspoel over het hoofd van het onderwerp met een spiegel bevestigd, zodat het onderwerp het projectiescherm in de juiste richting kan zien.
   5. Zet het vrije uiteinde van de elektrodekabel tijdelijk van de rubberelektroden op een plaats in de kopspoel zodat het niet kan raken als het bed beweegt. Figuur 1D toont het hoofd van het onderwerp in de kopspoel met kussens, spiegel en tACS-kabel in plaats bVoor het verplaatsen van het bed naar de middenkopspoel voor beeldvorming. De filterkist wordt ook op het bedlinnen van de scanner getoond, als voorbeeld van waar het moet liggen ten opzichte van de kopspoel wanneer het scannerbed in de meetpositie staat.
   6. Verplaats het scannerbed naar de meetpositie. Van de achterkant van de scannerboring sluit u de elektrodekabel van de rubberelektroden aan op de binnenfilterbox die op de LAN-kabel aansluit, zoals afgebeeld in Figuur 1C . Om overmatige bewegingen tijdens het scannen te voorkomen, beveiligt u de kabels en de filterdoos langs de scanner bedreling aan de rechterkant van de boor met tape en zandzakken. Plaats het projectorscherm in het achterste gedeelte van de scannerboring.
   7. Test de impedantie op de stimulator nogmaals om ervoor te zorgen dat alle aansluitingen tussen kabels, filterdozen en de stimulator goed worden gemaakt.

3. MR Scanning en Experiment

1. Voordat de scan begint test dan dat dePresentatiecomputer registreert wanneer het onderwerp de reactietoetsen drukt.
2. Verwante T1-gewogen anatomische data (bijvoorbeeld driedimensionale turbo snelle lage hoekschot, echo tijd (TE): 3.26 ms, herhalingstijd (TR): 2.250 ms, inversietijd: 900 ms, fliphoek 9 °, Isotrope resolutie van 1 x 1 x 1 mm ³ ).
   1. Na de aanschaf, pas het contrast en het raamwerk op de anatomische MRI aan op lage en hoge uitersten om het geluid tijdens het scannen visueel te detecteren, die kan voortvloeien uit de stimulatorinstelling. Ga door met deze visuele geluidsoverweging gelijktijdig met functionele beeldverwerving.
3. Start het experiment op de presentatiedatron, klaar om te beginnen met de scanner-trigger, en start de stimulator om te wachten op de output-trigger van de presentatiecomputer. Laat de stimulator in en verbinden tijdens het fMRI-experiment om verschillen in de temporale signaal-ruisverhouding (tSNR) tussen stimulator te vermijdenAan en uit voorwaarden ²² .
4. Start de fMRI scan ( bijv . Tweedimensionale T2 * -gewogen gradiënt-echo-echo-planaire beeldvorming; TE: 30 ms, TR: 2,000 ms, fliphoek 70 °, 33 plakken van 3 mm dikte, geen spleet tussen plakken bij Een in-plane resolutie van 3 x 3 mm ² , 210 volumes voor zeven minuten scannen), die het begin van het experiment op de presentatietoepassing tot stand brengt. Controleer de stimulatorweergave om te garanderen dat de stroom op de gewenste tijden door de experimentele runs wordt verzonden.

4. Experiment Conclusie

1. Nadat het experiment is uitgevoerd en het scannen is voltooid, koppel de binnenfilterkast los van de kabel die verbonden is met de rubberen elektroden voordat u het scannerbed verplaatst, verwijder het onderwerp van de scanner en verwijder de elektroden, zodat het onderwerp vrij is om hun haar te wassen.
2. Zet de stimulator uit en sluit het in om op te laden. Maak de rubberen elektroden schoon met water voor hun nexT gebruiken.

Results

Figuur 2 en Figuur 3 tonen representatieve beelden die zijn verkregen voor apparatuur ruisonderzoek in respectievelijk een fantoom en in een menselijk vak. In elke rij tonen figuur 2 en figuur 3 representatieve axiale plakjes van een verkregen volume of berekende kaart, die dienovereenkomstig boven de rij wordt gemerkt. Het rechtermuisknop op elke rij is een sagittale weergave van het corresponderende volume of berekende kaart, waarbij axiale snijlocaties met blauwe lijnen worden aangegeven. Afgezien van de eerste rij, die elektrodeplacering in wit illustreert, wordt het volume overgenomen op een T1-gewogen afbeelding in elke figuur. Merk op dat er geen vervorming of signaaluitval is van de elektroden in de T1-gewogen afbeeldingen. De tweede rij van figuur 2 toont representatieve functionele MRI-gegevens die zijn verkregen met de tACS-instelling op zijn plaats en draaitop. In het fantoom in figuur 2 is er een signaaluitval en vervorming door de elektroden, maar in rij 2 van figuur 3 blijkt dat deze vervormingen niet verder gaan dan de hoofdhuid in een onderwerp. Rijen drie en vier van figuur 2 tonen ruismetingen in het volume, die worden verkregen met dezelfde parameters als de fMRI data, maar zonder een RF excitatiepuls. De beelden tonen het geluidsniveau in de scannerruimte en de MR-hardware tijdens de scan. Rij drie is een geluidsmeting met tACS uit en rij vier is een met tACS aan. In de vijfde en zesde rij van figuur 2 zijn tSNR kaarten voor functionele runs met respectievelijk de tACS setup en de stimulator. TSNR kaarten berekend op basis van data verkregen in het menselijk vak dat wordt weergegeven in figuur 3 rijen drie, met tACS uit en vier, met tACS aan. Let op dat er geen zichtbare verschillen zijnIntensiteit bij het vergelijken tussen stimulatieomstandigheden. Zoals we in een eerdere studie hebben aangetoond, produceert de tACS-apparatuur ongeveer 5% daling in tSNR in afbeeldingen in vergelijking met die zonder de tACS-opstelling, maar de tSNR moet stabiel blijven over stimulatie aan en uit van omstandigheden ²² .

Figuur 4 staat voor een reeks afbeeldingen die signaalafval tonen die kan optreden wanneer niet-MR-compatibele elektroden worden gebruikt. Slices uit een fMRI volume verkregen van een onderwerp met elektroden die sommige metaalverontreinigingen kunnen hebben, laten zien dat de signaalafval onder de elektrode ongeveer over de primaire motorcortex wordt geplaatst, zoals aangegeven met rode cirkels.

Figuur 5 toont resultaten van een experiment dat de effecten van de huidige sterkte van 16 Hz Cz-Oz tACS test op het BOLD signaal in onderwerpen waarvan de enige t Vraag is centrale kruisfixatie. Tijdens het experiment werden 12 seconden van tACS geïnterleefd met niet-stimulatieperioden die variëren van 24 tot 32 seconden. In een pseudorandomized order werd tACS toegepast in elke vier runs met een andere stroomsterkte (500 μA, 750 μA, 1.000 μA, 1.500 μA). Figuur 5A toont gebeurtenisgerelateerde gemiddelden van het BOLD-signaal voor statistisch significante clusters, met een toenemend effect op het BOLD-signaal met verhoogde stroomsterkte. Daarnaast toont Figuur 5B stroomsterkte-specifieke T-score kaarten die regionale specificiteit van effecten illustreren, evenals het vergroten van ruimtelijk effect met verhoogde stroomsterkte. Het is ook de moeite waard om op te merken dat BOLD-activiteit in frontale gebieden aanzienlijk is veranderd, waardoor de modulaties niet altijd direct onder de elektroden liggen. Voor meer informatie, raadpleeg Cabral-Calderin en collega's ²² .

E_content "voor: keep-together.within-page =" 1 "> Figuur 6 toont representatieve resultaten van een experiment waarbij de frequentieafhankelijkheid van tACS-effecten wordt getest tijdens een visuele waarnemingstop. Onderwerpen rapporteren de waargenomen richting van een bistabiele roterende bol. Op hetzelfde moment werd tACS toegepast bij elektroden die bij Cz en Oz geplaatst werden bij een van de drie stimulatiefrequenties (10 Hz, 60 Hz of 80 Hz) in elk van de drie afzonderlijke sessies. Figuur 6A illustreert het experimenttiming met visuele presentatie en tACS perioden tussen Blokken van centrale kruisfixatie. TACS conditie en frequentie effect interactie kaarten en cluster post-hoc tests tonen frequentie-specifieke effecten in de pariëtale cortex, met 10 Hz tACS afnemen en 60 Hz toenemend signaal ( Figuur 6B ). Figuur 6C toont T-score Kaarten van specifieke effecten van 60 Hz tACS die zich buiten de pariëtale cortex uitstrekken om wat occipi te omvattenTal en frontale regio's. Voor experimentele en analyse-details, zie Cabral-Calderin, et al. ²² .

Figuur 1: TACS Setup in de scanner. ( A ) TACS Setup met alle noodzakelijke elementen. De stimulator en de kabels zijn buiten de MR-afgeschermde kamer aangesloten. Ook getoond zijn de EEG cap, meetlint en geleidende gel gebruikt voor elektrode plaatsing. ( B ) Outer Filterbox en Stimulator Buiten de Scannerruimte geplaatst. De LAN-kabel (niet zichtbaar in de figuur) komt van de scannerruimte via de RF-waveguide-buis en verbindt met de buitenste filterbox met zo weinig LAN-kabel mogelijk buiten de scannerruimte. De stimulator moet worden aangesloten op de buitenste filterbox en op de presentatiedrager uitgangskabel. ( C )Scanneromgeving met experimentele installatie. Afbeelding van de tACS-installatie, inclusief presentatiecomputer, scannercomputer en trigger-uitgang en projector. ( D ) Vakpositie voor experiment. Belangrijke elementen zijn onder meer kussens, kabels, kijkspiegel en kopspoel. Filterbox is op het bedlinnen van de scanner geplaatst als voorbeeld van plaatsing in de boor. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Kwaliteitsbeoordeling MR Afbeeldingen verkregen van een fantoom. Rij 1: Hoogwaardige anatomische T1-gewogen beeld axiale plakjes met hun posities aangegeven door blauwe lijnen op een sagittale plakje rechts (zie ook in elke volgende rij). Op het sagittale vlak zijn elektrodeposities illustreren Beoordeeld in wit. Rij 2: T2 * -gewogen echografische beeldschijven, met magenta pijlen die signaalafval en vervorming door elektroden en / of elektrodegel aanduiden. Op het sagittale vlak wordt de positionering van het corresponderende volume weergegeven als een overlay (zie ook in elke volgende rij). Rij 3: Geluidsbeeldschijven die zijn verkregen met fMRI-experimentele parameters en geen RF-excitatiepuls, terwijl de tACS-installatie op zijn plaats is en ingeschakeld is, maar niet stimulerend is. Rij 4: No-RF-excitatiebeeld verkregen met tACS-opstelling in plaats en stimulator op en stimulerende op 16 Hz. Rij 5: TSNR-kaart berekend op basis van de gegevens die zijn verkregen met de tACS-configuratie in plaats en ingeschakeld, maar niet stimulerend. Rij 6: TSNR-kaart berekend op basis van de gegevens die zijn verkregen met de tACS-configuratie en stimuleren bij 16 Hz. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Figuur 3: Kwaliteitsbeoordeling MR Afbeeldingen verkregen van een onderwerp. Rij 1: Anatomische beeld axiale plakjes met hoge resolutie met hun posities aangegeven door blauwe lijnen op een sagittale plakje rechts (zie in elke rij). Elektrodeposities worden in wit op de sagittale weergave geïllustreerd. Rij 2: T2 * -gewogen echografische beeldschijven die geen signaaluitval veroorzaken door elektroden en / of elektrodegel. Op het sagittale vlak wordt de positionering van het corresponderende volume weergegeven als een overlay (zie ook in elke volgende rij). Rij 3: TSNR-kaart berekend op basis van de gegevens die zijn verkregen met de tACS-instelling op zijn plaats en ingeschakeld, maar niet stimulerend. Rij 4: TSNR-kaart berekend op basis van de gegevens die zijn verkregen met de tACS-instelling op zijn plaats en stimuleren op 16 Hz. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Signaaluitval door een verontreinigde elektrode. Slices uit een fMRI volume verkregen van een subject met behulp van een verontreinigde elektrode geplaatst ongeveer over de handknop van de motor cortex. Rode cirkels geven gebieden onder de elektrode aan met signaaluitval. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Effect van stroomsterkte op tACS-modulatie van het BOLD-signaal. ( A ) F-score kaarten die het belangrijkste effect van de huidige kracht tonen op het effect van 16 Hz tACS. Een belangrijk hoofd effect van de huidige kracht in een one-way rANOVA [binnen Factor: huidige kracht (500, 750, 1000, 1500 μA)] is duidelijk. De percelen tonen de gebeurtenisgerelateerde gemiddelde tijdcursus van het BOLD-signaal voor de tACS-on-perioden voor elke stroomsterkte. Schaduwrijke gebieden geven de standaardfout aan van de gemiddelde onderwerpen. MedialFG = mediale frontale gyrus, IPS = intraparietale sulcus, IFG = inferieure frontale gyrus, PrC = precentrale gyrus, L = links, R = rechts, * cluster niet gecorrigeerd voor meerdere vergelijkingen. ( B ) T-score-kaarten die BOLD-activiteit veranderen tijdens 16 Hz tACS voor elke huidige kracht. Er werd geen significant effect gevonden met 500 μA tACS. LH = linker halfrond; RH = rechter halfrond. Deze foto is gewijzigd van Cabral-Calderin et al. ²⁹ . Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Figuur 6: Effect van tACS op het BOLD signaal in een visueel perceptie taak. ( A ) Schematische representatie van het experiment. Visuele stimulans en tACS werden toegepast in een blokontwerp, waarbij 30 s on-off tACS blokken zich voordoen tijdens 120 sec blokken visuele stimulus presentatie. Elke frequentie werd getest in een andere sessie. SfM = structuur-van-beweging. ( B ) TACS conditie en frequentie interactie effect. F-statistische kaarten die significantie tonen in twee-weg rANOVA [binnen factoren: tACS (aan, uit), frequentie (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] en beta-schattingen voor twee representatieve clusters in de post-centrale gyrus. Continu lijnen en zwarte sterretjes markeren significante verschillen voor post-hoc vergelijkingen voor tACS on-off interactie effecten van 10 Hz versus 60 Hz en 10 Hz versus 80 Hz, en rode sterretjes impliceert een significant verschil voor tACS tegen versus post-hoc tests. PoC = postcentrale gyrus, IPS = intraparietale sulcus. ( C ) T-score Kaart van 60 Hz tACS. Betekenisvolle verschillen tussen 60 Hz tACS en versus off. Deze foto is herdrukt uit Cabral-Calderin et al. ²⁹ . Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Hier hebben we de procedure beschreven voor een gelijktijdige installatie en uitvoering van tACS-fMRI-experimenten met behulp van een MR-compatibele tACS-systeem. Enkele stappen in deze procedure vereisen speciale aandacht, met name wat betreft de opstelling van het onderwerp. De MR-compatibele stimulator en installatie die in dit experiment wordt gebruikt, heeft een minimale impedantie van ongeveer 12 kΩ alleen met kabels, filterdozen en elektroden en de fabrikant beveelt 20 kΩ minimale impedantie aan met elektroden die zijn aangesloten op het onderwerp. Deze eis is afhankelijk van stimulatorproduct en fabrikant. Bij het aanbrengen van elektroden op het onderwerp, als de impedantie te hoog is, kunnen sommige stappen worden genomen om deze waarde te verminderen naast de elektroden te drukken. Bijvoorbeeld, het kan makkelijker zijn om eerst de gemarkeerde en schoongemaakte plaatsen op de hoofdhuid te bedekken met elektrodegel, inclusief het haar, voordat u de elektrode op de hoofdhuid drukt. Dit zorgt voor de huidige verspreiding over het niet-geleidende materiaal; echter,Wees voorzichtig om de dekking van de elektrodegel te beperken tot ongeveer hetzelfde oppervlak als de elektroden naar de gelijkstroom verspreiden naar het gewenste stimuleringsgebied. Let hierbij vooral op als de elektroden dicht bij elkaar zijn, omdat de huidige schakeling tussen de elektroden kan optreden door overmaat elektrodegelcontact. Als de elektrode zich op de achterkant van het hoofd bevindt, waar het onderwerp er direct op legt, moet er voorzichtig worden gezet om kussens achter het hoofd te plaatsen, zodat het onderwerp niet ongemakkelijk zal worden als het experiment verder gaat Dit ongemak is misschien niet een probleem voor het onderwerp, maar de ervaring laat zien dat er pijn optreedt en met de tijd toeneemt. Bovendien, zoals bij alle fMRI-experimenten, introduceert subjectmotief problematische confounds, dus het is belangrijk dat het onderwerp comfortabel is met alle kabels en elektroden op zijn plaats.

Het belangrijkste aspect van de setup om te overwegen is het geluid dat mogelijk wordt geïntroduceerdNaar de MR omgeving die beeldartifacten en vervormingen kan veroorzaken. Voorafgaand aan het experiment is het verstandig om voor beeldartefacten te testen met de volledige tACS-installatie op zijn plaats. Een normaal bolvormig fantoom kan gebruikt worden, waarbij elektroden worden bevestigd met elektrodegel. Het is belangrijk om een ​​enkele manier te geven voor de stroom om tussen elektroden te reizen, die kan worden bereikt door een royale hoeveelheid elektrodegel in een pad van de ene elektrode naar de andere toe te passen. Voer het volledige experiment uit, zoals gepland voor het onderwerp, inclusief parametervariaties zoals frequentie en stroom. Tijdens de scansessie maakt het aanpassen van contrast en raamwerk naar extremen in de beeldweergave op de MR-scannerbesturingscomputer eenvoudiger zichtbare detectie van geluid. Bij het visueel bewaken van geluid voor en tijdens het experiment kan geluid optreden als spikes in het beeld met hoge intensiteit, patronen waar het signaal niet moet worden gemeten of variabele intensiteit over de tijd als voorbeeld. Verkrijgen van fMRI data met de RF excitatioN-puls uitgeschakeld geeft informatie over het scannen omgevingsklaar tijdens het scannen zonder het werkelijke beeldsignaal te verwerven (zie figuur 2 ). Deze geluidstest kan in elke scansessie worden uitgevoerd. Als er geluidsvariaties zijn, controleer dan of alle kabels intact zijn en goed verbonden zijn met de stimulator, elektroden en filterdozen. Er mogen geen kabels in lussen zitten. Ruis of vervorming kan voortvloeien uit gebroken kabels, elektroden met metaalverontreinigingen in het rubber (ondanks dat ze verkrijgbaar zijn als MR-compatibel) en foutieve aansluitingen, onder andere mogelijkheden. De stimulator is batterijgedreven om elektrisch geluid in de installatie te minimaliseren; Zorg ervoor dat het voor elk experiment volledig opgeladen is en dat het in het experiment blijft en verbonden is. TSNR in functionele beelden zal ongeveer 5% dalen met de aangesloten stimulator, maar de waarden moeten stabiel zijn over stimulatieomstandigheden ²² . Gelijktijdige transcraniale elektrische stimulatie-fMRI tests oN cadavers hebben aangetoond dat er geen artefacten zijn die verband houden met alternatieven stimulatie, wat een voordeel is in vergelijking met gelijktijdige stimulatie ³⁰ . Theoretisch kan dit gebrek aan artefacten worden verklaard door een netto stroom van nul op het moment dat de afbeelding wordt verkregen ³⁰ . Voor sommige van de experimenten die in ons laboratorium zijn uitgevoerd, is de verwervingstijd of TR echter niet een veelvoud van de stimulatiefrequentie. Na het uitvoeren van de in dit protocol vermelde ruisonderzoeken en het onderzoeken van beelden voor artefacten, die niet zichtbaar waren, concludeerden we dat elk verschil in netto stroom van nul klein en te verwaarloosbaar is om artefacten te veroorzaken.

Een ander kritisch punt voor succesvolle experimenten is dat de presentatiecomputer de triggeruitvoer van de scanner ontvangt en dat de stimulator de trigger van de presentatiecomputer ontvangt. Voorafgaand aan het experiment, programma het visuele stimulus ontwerp en timing met behulp van thE gewenste software. Dit programma moet triggers gebruiken om de visuele stimuluspresentatie met de MR-scanner en de stimulator te synchroniseren; Het start met een trigger die uit de MR-scanner wordt geleverd en stuurt ook output triggers naar de stimulator op gewenste stimulatietijden. Een makkelijke manier om de triggercommunicatie tijdens het instellen te controleren is om een ​​oscilloscoop te gebruiken die met een BNC-kabel is bevestigd aan de scanner-trigger-uitgang, evenals de presentatiecomputer-uitgang. In onze setup voert de MR-scanner een trigger uit (omwisselen) voor elk verkregen functioneel volume en de presentatiecomputer geeft een signaal uit zoals geprogrammeerd via de presentatiesoftware. De analyse van een goed ontworpen experiment ligt kritisch op de juiste tijdstimulatie.

Sommige stappen van dit experiment kunnen eventueel aangepast worden voor de laboratoriuminstellingen. Bijvoorbeeld, deze installatie beschrijft het gebruik van een projector en spiegels voor visuele stimulatie presentatie, maar de visuele stimulus ouTput-apparaat kan MR-veilige vloeibaar-kristal-displaybril of een MR-veilige monitor zijn, gekozen op basis van experimenten en laboratoriumvoorkeuren of beperkingen. Ook, MRI scan parameters moeten worden aangepast aan het experiment. Het is de moeite waard om erop te wijzen dat aandacht moet worden besteed aan de juiste keuze van de experimentele controle voor tACS, hoewel een eenvoudig antwoord niet bestaat. Een korte sham-stimulatie van 30 seconden kan de somatosensatie veroorzaken die door tACS geïnduceerd worden, nabootsen, die uiteindelijk afneemt met langdurige stimulatie; Sommige studies tonen echter aan dat zelfs korte periodes van stimulatie oscillerende entrainment ¹² kunnen veroorzaken. Een andere mogelijke controle die kan worden gebruikt voor tACS, is het stimuleren van een niet-effectieve frequentie, of met andere woorden een andere frequentie dan die van belangstelling. De uitzondering hierbij zou zijn dat de somatosensatie en fosfene perceptie verschillen naargelang de stimulatie frequentie ³¹ . Ten slotte, met betrekking tot subjectieve ervaringen van stimulTACS-geïnduceerde fosfenen verschillen over individuen. Om de vakvariabiliteit het beste te kunnen vastleggen, overwegen om een ​​gedetailleerd beoordelingssysteem voor fosfeneperceptie te gebruiken, en wat tijd doorbrengen met het onderwerp waarin de verschillende kenmerken van fosfenen ( bv . Locatie, intensiteit) worden beschreven die Kan zich voordoen zodat het onderwerp tijdens zijn stimulatie ^{32 , 33} aandachtig kan worden beoordeeld op zijn of haar ervaring.

De hier weergegeven representatieve resultaten suggereren dat tACS-effecten afhankelijk zijn van de frequentie afhankelijk zijn, en dat modulatie niet beperkt is tot de gebieden onder de elektroden, maar strekt zich uit tot verre, waarschijnlijk functioneel aangesloten gebieden. Een beperking van deze techniek is de tijdelijke resolutie van fMRI en van de BOLD respons. De dataverzameling en de hemodynamische respons zijn niet zo snel als de stimulatiefrequentie of elektrische activiteit van de hersenen, dus directe interacties met frequentie-specifieke effecten van tACS kunnen niet worden gemeten. Aangezien het grootste deel van de wetenschappelijke literatuur van tACS-effecten gedragsstudies is en dat tACS uiteraard een volledig ingewikkeld neuraal systeem beïnvloedt, is het duidelijk dat gelijktijdige tACS-fMRI-experimenten veel te bieden hebben om ons te informeren over tACS-effecten in de hersenen. EEG en MEG bieden inzichten op het niveau van tijdelijke resoluties die overeenkomen met die van neurale activiteit. Echter, EEG en MEG lijden aan ruimtelijke resolutie en corticale dieptebeperkingen of computationeel intensieve bron-reconstructietechnieken. Stimulatiefrequentie en harmonische artefacten overheersende hersensignalen van interesse die bij dezelfde frequenties zijn opgenomen, compliceren nog meer EEG- en MEG-analyses. Er zijn innovatieve oplossingen toegepast om sommige van deze uitdagingen aan te pakken. Helfrich et al. Heeft een nieuwe techniek gebruikt om het tACS-artefact uit EEG-gegevens te verwijderen door gebruik te maken van een artefact sjabloon aftrekking en principe component analyse ¹⁵ . Zij toonden aan dat 10 Hz tACS toegepast parieto-occipitaal verhoogt alfa activiteit in de parietale en occipitale cortices en induceert synchroon in corticale oscillatoren die functioneren bij vergelijkbare intrinsieke frequenties. Witkowski en collega's toepassen amplitude-gemoduleerde tACS en succesvol gecreëerde MEG-gebaseerde corticale kaarten van ingebouwde hersenoscillaties ³⁴ . Met het doel om tACS in onderzoek toe te passen om het normale en abnormale hersenfunctie beter te begrijpen en uiteindelijk klinisch voor diagnostiek of therapeutica, moet tACS afzonderlijk gecombineerd worden met EEG, MEG en fMRI om de beste praktijken op te zetten voor specifieke gewenste effecten die kunnen worden aangepast Specifiek voor particulieren. Wanneer dergelijke praktijken worden opgericht, kunnen effectieve onderzoeken worden uitgevoerd om de functie van neurale oscillaties beter te begrijpen ( bijv . Het duidelijk definiëren van functionele rollen en relaties van verschillende frequentiebanden) en hun modulatie met tACS (Bijv. Of het mechanisme zich voordoet door middel van ingewanden of plastic veranderingen ³⁵ ).

Gezien toekomstige richtingen, is de hier beschreven beschrijving op maat gemaakt voor fMRI-experimenten die perceptie of cognitie bestuderen, zoals de hier beschreven structuur-from-motion studie en anderen hebben aangetoond. Cabral-Calderin en collega's toonden aan dat activatie in gebieden van de occipitale cortex afhankelijk was van de taak- en tACS-frequentie in een video-kijken versus vingerafluisterend experiment ²² . In een gelijktijdige tACS-rest-state fMRI studie, vertoonden Cabral-Calderin en collega's frequentieafhankelijke effecten van tACS op intrinsieke functionele connectiviteit en rustende netwerken ²³ . Vosskuhl et al . Gecombineerde tACS en fMRI om BOLD daling te laten zien tijdens een visuele waakzaamheid bij individuele alpha frequentie stimulatie ²⁴ . Alekseichuk en collega's toonden dat onmiddellijke aftereffects van 10 Hz tACS moduleren het BOLD signaal tijdens een visuele waarneming van geruite ringen en wiggen, wat een wijziging in de neurale metabolisme van een passieve perceptie taak ³⁶ aangeeft. Deze studies stellen de fase voor gelijktijdige tACS-fMRI studies vast om functionele mechanismen op veel niveaus te onderzoeken, van metabolisme tot cognitie. In zo'n vroeg stadium in het gebruik van tACS voor translatieonderzoek, is er veel potentieel voor gelijktijdige tACS-fMRI experimenten om het begrip van zowel de stimulatie techniek als de bijdrage van oscillaties aan cognitieve functies toe te voegen.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
None
DC-Stimulator MR	NeuroConn, Ilmenau, Germany		includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications.
3 tesla Tim Trio MR scanner	Siemens, Erlangen, Germany
presentation computer
presentation software (e.g.;, Matlab)	The Mathworks, Natick, USA
shielded LAN cable
projector	InFocus Corporation, Wilsonville, USA	IN-5108
Ten20 Electrode Paste	Weaver and Co., Aurora, USA
EEG cap - EASYCAP 32-channel system	Brain Products GmbH, Germany
tape measure
marker
pillows
button response box	Current Designs, Philadelphia, USA
isopropyl alcohol
cotton pads
tape
MR-safe sand bags	Siemens, Erlangen, Germany
MR-safe mirrors	Siemens, Erlangen, Germany
MR-safe screen			can be built in local machine shop to fit site-specific parameters
E-A-Rsoft ear plugs	3M, Bracknell, UK