Transcraniële Direct Current Stimulatie en Gelijktijdige Functional Magnetic Resonance Imaging

Het algemene doel van het volgende experiment is het illustreren van de implementatie van transcraniale gelijkstroomstimulatie of TDCS tijdens simultane functionele magnetische resonantie-imaging. Om te beoordelen hoe de stimulatie de menselijke hersenfuncties beïnvloedt, bestaat de eerste stap uit het samenstellen van de benodigde apparatuur, waaronder MRI, compatibele kabels, elektroden en filterboxen. Als tweede stap moet de TDCS-apparatuur zowel binnen als buiten de scanner worden geïnstalleerd.

Vervolgens wordt de deelnemer gescreend en voorbereid op tDCS in de scanner. Nadat de deelnemer in de scannerboring is geplaatst, wordt de stimulatie ingeschakeld en begint het fMRI-experiment. Uiteindelijk worden de resultaten van de deelnemers die tijdens A-T-D-C-S zijn gescand, in een within-subjects design vergeleken met de resultaten die tijdens een aparte sham-tDCS-sessie zijn behaald, om de impact van de stimulatie op de functionele hersenactiviteit aan te tonen.

Het belangrijkste voordeel van intra-ziekte vergeleken met puur gedragsmatige TS-protocollen is dat het bestuderen van het neuronale mechanisme ten grondslag aan de simulatie-effecten mogelijk maakt. Daarnaast biedt fMRI, in vergelijking met andere neuro-imagingtechnieken zoals EEG, een superieure ruimtelijke resolutie en maakt het ook verificatie van de elektrodepositie op de theca mogelijk. Het gecombineerde gebruik van fMRI en tDCS kan helpen de neurale mechanismen te ontrafelen die geassocieerd zijn met de werking van tDCS in het gezonde brein, en ook bij een aantal verschillende pathologische aandoeningen zoals beroerte of dementie.

Inzicht in de werking van TDCS in de hersenen kan uiteindelijk leiden tot verbeteringen in de klinische toepassingen van deze techniek. Omdat een aantal kritische stappen in de juiste volgorde en op een tijdgevoelige manier moet worden uitgevoerd, zijn een goede planning en vertrouwdheid met deze stappen noodzakelijk voor een succesvolle implementatie. Wanneer de techniek correct wordt uitgevoerd, vormt deze slechts een minimaal risico voor de deelnemers.

Onderzoekers moeten echter ervoor zorgen dat zij de vastgestelde veiligheidsrichtlijnen voor MRI en TDCF volgen. Het experimentele ontwerp bestaat uit twee fMRI-segmenten die worden uitgevoerd tijdens een T-D-C-S-A rusttoestandsequentie van vijf minuten en een openlijke semantische woordgeneratietaak van 11 minuten. De 20 minuten tDCS begint ongeveer één tot twee minuten vóór de scans, beslaat de volledige duur van de twee functionele scans en omvat ook de korte pauzes en instructies tussen de scans door.

Aanvullende structurele scans worden gemaakt na de functionele MRI's (fMRI) in rusttoestand en tijdens de taak. De sham-stimulatiesessie bestaat uit 30 seconden tDCS voorafgaand aan de fMRI in rusttoestand, waarbij gedurende de rest van het protocol voor de taaltaak geen tDCS wordt toegepast; gebruik software voor stimuluspresentatie om een visuele afbeelding van diverse semantische categorieën op een scherm in de scanner te projecteren. De projectie wordt gerealiseerd via een projector en een systeem van spiegels dat is verbonden met de computer.

Een MRI-compatibele microfoon wordt gebruikt voor de overdracht van uitgesproken verbale reacties. Om het TDCS-apparaat te programmeren voor het leveren van een constante gelijkstroom van 1 mA gedurende 20 minuten, dient men te controleren of de stimulator voldoende is opgeladen. Anders kan het apparaat tijdens het experiment uitschakelen; verzamel alle apparatuur, kabels en elektroden die nodig zijn voor de TDCS zoals beschreven in het tekstprotocol.

Plaats in de MRI-controlekamer de buitenste filterbox dicht bij de RF-filterbuis die wordt gebruikt om kabels naar de scannerruimte te leiden. Let erop dat de buitenste filterbox duidelijk is gelabeld. De binnenste en buitenste filterbox mogen niet worden verwisseld.

Sluit vervolgens de stimulator aan op de buitenkast met behulp van de stimulatorkabel. Meet de benodigde lengte van de kastkabel om de binnen- en buitenfilterkasten met elkaar te verbinden, waarbij voldoende kabel wordt gereserveerd om langs de wanden van de scannerruimte te lopen. Voer de kastkabel in de RF-filterbuis en sluit deze aan op de buitenfilterkast in de scannerruimte.

Plaats de binnenste filterbox aan het uiteinde van de scannerboring en gebruik plakband om deze op zijn plaats te houden. Bevestig de boxkabel met plakband aan de wanden en sluit deze aan op de interne filterbox van de scanner, waarbij lussen in de kabels worden vermeden aangezien deze RF-verwarming kunnen veroorzaken. Screen deelnemers grondig op contra-indicaties voor MRI en TDCS, zoals pacemakers, metalen implantaten in het lichaam en claustrofobie.

Na het uitleggen van de procedure wordt geïnformeerde toestemming verkregen, zoals bij conventionele tDCS-opstellingen, ter voorbereiding op de plaatsing van de elektroden. Controleer de huid van de deelnemer op bestaande laesies en maak het haar vrij. Reinig vervolgens de huid met alcohol om de conditie van de huid te verbeteren.

Nadat de sponszakjes zijn geweekt in zoutoplossing, worden de MRI-compatibele elektroden met een pen die geen ferromagnetische sporen achterlaat in de zakjes geplaatst. Markeer eerst het kruispunt van T3, F3 en F7C3 op het hoofd van de proefpersoon, en markeer vervolgens het middelpunt tussen F7 en F3. Markeer nu het midden van de lijn die deze twee punten verbindt en plaats de anode op dit punt.

Plaats vervolgens de kathode over de rechter supraorbitale positie en bevestig beide elektroden met een elastiekje. Na een laatste veiligheidscontrole buiten de scanner begeleidt u de deelnemer naar de scannerruimte en vervolgens dicht bij de scanner om de elektrodekabel aan de interne filterbox aan te sluiten. Zet daarna de stimulator aan en test de impedantie, bijvoorbeeld door gelijktijdig op de rechterbovenste en linkeronderste knop van de stimulator te drukken.

Impedanties zijn tijdens deze procedure doorgaans hoger dan bij standaard tDSS-protocollen vanwege de hogere weerstand van de kabellengte en filterboxen, waardoor het essentieel is om de impedanties te testen vóór aanvang van de scan. Indien de impedantielimieten worden overschreden, stopt de stimulator automatisch. Mogelijke oplossingen zijn het controleren van het contact tussen de elektroden en de hoofdhuid, het opnieuw reinigen van de huid of het aanbrengen van meer zoutoplossing op de sponsjes.

Positioneer de deelnemer op het scannerplatform. Controleer of de elektroden nog in de juiste positie zitten. Voer vervolgens de elektrodekabel door het linkerondergedeelte van de hoofdspoel en zet de kabel vast om te voorkomen dat deze achter het platform blijft haken.

Terwijl het gantry wordt verplaatst, sluit u de hoofdspoel en geeft u de noodknop aan de deelnemer. Schuif de deelnemer vervolgens in de scanner.

Boor vervolgens, pak de elektrodekabel aan de achterzijde van de scanner en verbind deze met de interne filterbox en verlaat de ruimte. Gebruik de intercom van de scanner om de deelnemer te informeren over de start van de scansessie. Start de structurele localizerscan via de scanconsole na het einde van de acquisitieperiode.

Inspecteer de localizer-scan op hoogfrequente artefacten door dubbel te klikken op de localizer-scan en het contrast aan te passen door de rechtermuisknop ingedrukt te houden terwijl u de muis naar links en rechts beweegt. Gebruik de intercom van de scanner om het subject te informeren dat de stimulatie zal beginnen en dat hij of zij gedurende korte tijd een tintelend gevoel op de hoofdhuid kan ervaren. Herhaal vervolgens de instructies voor de eerste functionele scan.

Instrueer de deelnemer voor de rusttoestandscan om de ogen gedurende de volledige scan van vijf minuten gesloten te houden. Vraag de deelnemer om zo min mogelijk te bewegen en aan niets in het bijzonder te denken. Zorg er daarnaast voor dat de projector handmatig wordt uitgeschakeld.

Start de TDCS ongeveer één tot twee minuten vóór het begin van de functionele scan in rusttoestand. Gebruik de console van de scanner om de sequence voor de rusttoestand te laden. Dubbelklik op de sequence voor de rusttoestand om het gezichtsveld (field of view) te openen en pas de positie aan zodat het hele brein wordt bestreken en deze ongeveer is uitgelijnd met de commissura anterior-posterior.

Start nu de eerste scan. Monitor de impedantie gedurende het experiment, waarbij bij dubbelblinde studies een tweede onderzoeker wordt ingezet terwijl de rusttoestandsequentie wordt uitgevoerd. Laad de tweede functionele beeldvormingssequentie, namelijk de taaltaak, en pas het gezichtsveld zoals eerder gedaan via de scannerconsole aan om de tijd tussen de scans te verkorten.

Na het beëindigen van de rusttoestand-sequentie schakelt u de projector in om de visuele weergave van de experimentele stimuli tijdens de taaltaak mogelijk te maken. Dubbelklik op het pictogram van de presentatiesoftware en laad het taalparadigma. Gebruik de intercom van de scanner om de instructies voor het taakgerelateerde fMRI-paradigma te herhalen en start de taak aan het einde van de stimulatie en het fMRI-experiment.

Ga verder met de geplande structurele scans. Aan het einde van het experiment koppelt u de elektrodekabel los van de binnenste filterdoos voordat u de deelnemer uit de scannerboring verplaatst. Verwijder vervolgens de hoofdspoel en vraag de deelnemer om rechtop te gaan zitten en de elektroden voorzichtig te verwijderen.

fMRI-studies tijdens een taak voor semantische woordgeneratie toonden een verminderde activiteit in het ventrale deel van de gyrus frontalis inferior bij zowel jongere als oudere volwassenen die A-T-D-C-S ontvingen, vergeleken met wanneer dezelfde proefpersonen werden gescand tijdens sham-stimulatie. Er werden geen significante verschillen gevonden in de linker dorsale gyrus frontalis inferior en fMRI. Een rusttoestand-scan uitgevoerd tijdens A-T-D-C-S, vergeleken met een rusttoestand-scan verkregen bij dezelfde 18 deelnemers tijdens een aparte sham TDCS-sessie, illustreert hersengebieden met een verhoogde connectiviteit tijdens A-T-D-C-S (aangegeven in rood) en gebieden met een verminderde connectiviteit (aangegeven in blauw).

In de toekomst kan deze nieuwe techniek worden toegepast bij klinische populaties om de effectiviteit van bestaande interventies te verhogen of om nieuwe, wetenschappelijk gefundeerde protocollen te ontwikkelen. Om ons begrip van de onderliggende effecten van TT CS verder te verdiepen, zou deze techniek kunnen worden aangevuld met andere technieken, zoals EEG TT S, om gebruik te maken van de superieure temporele resolutie van deze methoden. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in de technische vereisten, de implementatie en de veiligheidsoverwegingen bij het gecombineerde gebruik van TDCS en MRI.