Effecten van Transcraniële wisselstroom stimulatie op de primaire motorische Cortex door Online-gecombineerde aanpak met Transcraniële magnetische stimulatie
23 september 2017
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.
Het algemene doel van deze procedure is om de modulatie van de aanhoudende effecten van transcraniële gealtereerde stroomstimulatie te beoordelen door middel van eenmalige pad-transcraniële magnetische pad-stimulatie in een nieuwe online gecombineerde aanpak. Transcraniële elektrische stimulatie is een neuromodulerende techniek die neuronale toestanden beïnvloedt door middel van verschillende stroomvormen. Het wordt veel gebruikt in de neurowetenschappen om motorische en cognitieve hersenfuncties te onderzoeken.
De meest gebruikte benaderingen zijn gebaseerd op gelijkstroomstimulatie, willekeurig geluid en wisselstroomstimulatie, die veranderingen in neuronactiviteit kunnen induceren. Zowel binnen als buiten de neuronen, waardoor de rustmembraanpotentiaal wordt gewijzigd en bijgevolg de neuronale synaptische efficiëntie wordt aangepast. TACS staat ons toe om sinusoïdaal extern oscillerend potentieel te leveren in een specifiek frequentiebereik.
Door het zogenaamde invloedstroomeffect op de endogene oscillerende activiteit te induceren. Hier introduceren we een nieuwe methode die TACS en eenmalige pad-CMS combineert tijdens aanhoudende stimulatie van de primaire motorische cortex. De methode stelt ons in staat om online wisselstroomstimulatie-effecten op de primaire motorische cortex te testen door middel van eenmalige puls-TMS geïnduceerde motorische geëvokeerd potentiaal.
We gaan een volledige set apparatuur laten zien die nodig is om een online gecombineerd TACS-TMS-protocol uit te voeren door stimulatie van de primaire motorische cortex. De lijst met apparatuur omvat een elektrisch stimulatieapparaat dat elektrische gealtereerde stroom kan genereren, bijvoorbeeld BrainStim. Verbonden door twee oppervlakten met zoutoplossing doordrenkte sponzen met een grootte van vijf tot zeven centimeter.
Om huidgevoel te minimaliseren, zijn de elektroden volledig verzadigd met de zoutoplossing om de impedantie gedurende de hele stimulatiesessie onder de 10 kiloOhm te houden. De doelelektrode wordt geplaatst boven het hoofd, overeenkomend met de hotspot van de primaire motorische cortex, door gebruik te maken van specifieke elastische banden, terwijl de referentie-elektrode wordt geplaatst over de ipsilaterale schouder met behulp van plakband in een zogenaamde monopoolmontage. Bij mensen weerspiegelen oscillaties in verschillende frequenties verschillend gedrag en cognitieve processen die ten grondslag liggen aan verschillende toestanden van neurale netwerkactiviteit.
Zoals typisch gemeten door encefalografie of door magneto-encefalografie. Oscillaties in de menselijke hersenen variëren van ultralangzame tot ultrasnelle oscillaties. Ze zijn meestal gelijktijdig aanwezig en kunnen elkaar moduleren en interageren.
Echter, de link tussen oscillerende activiteit en hersenprocessen is altijd vastgesteld door correlatieve methoden. Daarom is de vraag of hersenoscillaties direct fundamentele mechanismen in corticale informatieverwerking weerspiegelen, of slechts een epifenomeen, nog steeds onopgelost. Door TACS te gebruiken, kunnen we hersenoscillaties causaal moduleren op een frequentie-specifieke manier en op zijn beurt fysiologische neuronale activiteit beïnvloeden die gekoppeld is aan rusttoestand, perceptuele en cognitieve processen.
Om het TCS-protocol op te zetten met behulp van het BrainStim-apparaat, controleer eerst de batterijstatus. Vervolgens worden stimulatieparameters gemanipuleerd door onze speciale software. Frequentie, duur, vorm van de stroom.
En overgedragen naar het apparaat via Bluetooth-verbinding. Gebruik de software, open een nieuwe sessie en beheer een nieuw protocol of stimulatie. Bijvoorbeeld, het protocol zal worden genoemd als Beta.
Stel de stimulatiefrequentie in ons geval op 20Hz, stem de golfvorm als sinusoïdaal in en stel de totale duur van het stimulatieprotocol in, bijvoorbeeld 600 seconden. Stel tenslotte de stimulatie-intensiteit in op 1 milliAmp terwijl offset, fade in, fade out en fade ingesteld zijn op nul. Wanneer de Bluetooth-functie op het apparaat is geactiveerd, uploadt u het protocol vanuit de software naar de stimulator.
Ga vervolgens verder met het controleren of het protocol succesvol is overgedragen naar het apparaat. Ga nu naar het TMS-gedeelte. Plaats eerst elektroden voor een oppervlakte-EMG om motorische slotpotentiaal te meten door middel van eenmalige puls-TMS.
Reinig de huid met behulp van een reinigingsscrub onder alle elektroden om een lage huidimpedancië te bereiken, onder de 10 kiloOhm. Hier hebben we een eerste dorsale interressus-spier genomen en een bipolaire buikpeesmontage gebruikt. Plaats een actieve elektrode op de spier, een referentie-elektrode op het bot, twee centimeter distaal en een grondelektrode meer proximaal op de arm.
Motorische slotpotentiaal wordt gemeten door zilver, zilverchloride-elektroden verbonden met de BrainAmp DC-versterker door een connectorbox. We gebruiken frameloos TMS-navigatiesysteem LocalEye TMS-navigator om de juiste positionering van de TMS-spoel te bereiken. Plaats eerst de trackingsensoren op de voorkant van de deelnemer.
Voor TMS-stimulatie gebruiken we een magnetische stimulator in een bi-fasische regeling en een H-vormige 75 millimeter schommelrode stimulatiesppoel. Gebruik vervolgens de video van de structurele T-one MRI van de deelnemer en voer een huidige illustratie van het hoofd van de deelnemer uit in het 3-D MRI-hoofdmodel door het navigatiesysteem. Daarna positioneert u de spoel nauwkeurig over het primaire motorgebied van het hoofd, het zogenaamde motorknopgebied.
Begin vervolgens met het testen van motorische slotpotentiaal met eenmalige puls-TMS. Zodra een optimale hotspot voor de bestudeerde handmodel corticale representatie is gevonden, wordt deze locatie gemarkeerd voor de daaropvolgende plaatsing van de doelelektrode voor TCS. Pas zorgvuldig de eerste elastische band op het hoofd aan met betrekking tot de positie van het middelpunt van het hoofd.
Neem vervolgens de positie van de doelelektrode met de tweede streep. Zodra TCS-elektroden zowel op de schedel als op de ipsilaterale schouder zijn geplaatst, gaat u verder met het aansluiten ervan op de stimulator. Zorg ervoor dat de positie van de doelelektrode gecentreerd is over de gemarkeerde hotspot door middel van visuele inspectie voordat u de stimulatiesessie start.
Plaats vervolgens de TMS-spoel over de TCS-elektroden door de intensiteit en oriëntatie opnieuw aan
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een nieuwe aanpak die transcraniële wisselstroomstimulatie (tACS) combineert met transcraniële magnetische stimulatie met één puls (TMS) om corticale exciteerbaarheid te beoordelen. De methode heeft tot doel de modulatie van neuronale toestanden te onderzoeken door middel van frequentiespecifieke stimulatie.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Neuromodulatie
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Transcraniële elektrische stimulatie wordt gebruikt om hersenfuncties te onderzoeken.
- TACS levert sinusoïdale oscillerende potentialen om neuronale activiteit te moduleren.
- Single pulse TMS wordt gebruikt om motorische geëvokte potentialen te meten.
- De combinatie van deze technieken maakt een real-time beoordeling van corticale exciteerbaarheid mogelijk.
Doel van de studie
- Om de lopende effecten van tACS op corticale exciteerbaarheid te beoordelen.
- Om de interactie tussen tACS en TMS te verkennen.
- Om een nieuwe online gecombineerde aanpak voor neuromodulatieonderzoek te ontwikkelen.
Gebruikte methoden
- Transcraniële wisselstroomstimulatie (tACS).
- Single pulse transcraniële magnetische stimulatie (TMS).
- Meting van motorische geëvokte potentialen (MEPs).
- Real-time beoordeling van corticale exciteerbaarheid.
Belangrijkste resultaten
- Gedemonstreerd de modulatie van corticale exciteerbaarheid door tACS.
- Een methode vastgesteld voor het onderzoeken van neuronale toestanden met behulp van TMS.
- Inzichten geboden in frequentiespecifieke effecten van tACS.
- Het potentieel voor gecombineerde neuromodulatietechnieken benadrukt.
Conclusies
- De combinatie van tACS en TMS biedt een nieuwe aanpak om corticale exciteerbaarheid te bestuderen.
- Deze methode kan ons begrip van modulatie van hersenfunctie verbeteren.
- Toekomstig onderzoek kan verdere toepassingen van deze techniek onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method enables frequency-specific neuromodulation assessment in the motor cortex, supporting target validation in neuroscience drug discovery. By combining tACS with TMS to measure motor evoked potentials, researchers can probe causal links between oscillatory activity and cortical excitability without EEG artifact interference. This approach enhances predictive confidence in mechanistic studies of neuronal network function relevant to CNS therapeutic development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses regarding cortical oscillatory mechanisms in motor function.
- Operational Value: Provides artifact-free physiological readouts via MEP amplitude changes during ongoing tACS.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Establishes a reproducible platform for frequency-specific neuromodulation screening in motor cortex.
- Operational Value: Supports assay standardization through defined tACS parameters and TMS hotspot localization.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates disease-relevant system modeling by linking 20Hz tACS effects to corticospinal output in human motor cortex.
- Operational Value: Enables cross-species translational continuity by demonstrating entrainment effects observed in both animal and human models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing mechanistic de-risking of oscillatory targets before lead identification stages.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of frequency-specific neuronal entrainment in motor networks.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible MEP amplitude readouts for condition comparison.
- Analytics: Generates cortical excitability measurements that enable statistical comparison across stimulation frequencies.
- Translational Research: Connects findings to preclinical continuity through demonstrated entrainment in animal and human cortical activity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neuromodulation platform applicable to multiple CNS target frequencies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by isolating frequency-specific effects on cortical output.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized electrode placement and TMS hotspot tracking.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing mechanistic insight into neuromodulation mechanisms.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by reducing ambiguity in target engagement evidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neurophysiology, TMS navigation, and neuromodulation protocols.
- Needs electrical stimulator with Bluetooth protocol transfer, frameless TMS navigation system, and EMG acquisition setup.
- Demands cross-team standardization for electrode montage, impedance control, and coil positioning reproducibility.
- Involves adaptation considerations for varying cortical targets and frequency-specific entrainment windows.
- Limited by the necessity of artifact-free physiological proxies like MEPs when direct EEG is confounded by tACS artifacts.
