Gelijktijdige transcraniale wisselstroomstimulatie en functionele magnetische resonantiebeeldvorming
5 juni 2017
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.
Het algemene doel van dit experimentele protocol is om veranderingen te meten in de bloedzuurstofniveau-afhankelijke activiteit die wordt geïnduceerd tijdens transcraniële elektrische stimulatie. Het combineren van transcraniële wisselstroomstimulatie met functionele magnetische resonantiebeeldvorming heeft het potentieel om sleutelvragen in de cognitieve neurowetenschap te beantwoorden. Een belangrijk voordeel van het combineren van deze technieken is de mogelijkheid om de hersenfunctie te meten terwijl neuro-oscillaties op een frequentie-specifieke manier worden gemanipuleerd.
De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de diagnose en therapie van neurologische stoornissen die gepaard gaan met abnormale synchronisatie. Hoewel deze techniek inzicht kan geven in menselijke visuele cognitie, kan deze ook worden toegepast op andere systemen, zoals motoriek, gedrag en geheugen. Over het algemeen kunnen individuen die nieuw zijn in deze methode worstelen met de complexiteit van de opzet die vereist is om geluidsvrije en trigger-gesynchroniseerde experimenten te garanderen.
We raakten geïnteresseerd in TCS omdat we het zagen als een manier om de oorzaak van alle oscillaties in bewuste percepties te bestuderen. Onze MRI-technicus is Ilona Pfahlert, met Paule Wunsch als onze vrijwillige proefpersoon. Screen alle proefpersonen vooraf op contra-indicaties voor MRI-scans evenals voor transcraniële wisselstroomstimulatie.
Wanneer het proefpersoon arriveert, beschrijf de details van het experiment en verkrijg geïnformeerde toestemming. Begin met het gebruik van een meetlint om de afstand op het hoofd van het proefpersoon te bepalen vanaf het nasion tot het inion. En dan van oor tot oor over de bovenkant van het hoofd.
Markeer de kruising van deze lengtes als de C-Z positie, volgens het 10-20 EEG systeem. Plaats nu de EEG-dop zonder elektroden op het hoofd van het proefpersoon met C-Z uitgelijnd op de gemarkeerde locatie. Bepaal vervolgens en markeer de gewenste locaties voor de elektroden met behulp van dezelfde plaatsing voor alle proefpersonen om experimentele consistentie te garanderen.
Gebruik vervolgens alcohol en wattenschijfjes om het haar en de huid op en rond de gemarkeerde plekken op de hoofdhuid schoon te maken om oliën en haarproducten te verwijderen. Verspreid vervolgens gel op de rubberen elektroden en druk elke elektrode stevig op deze locaties, waarbij u een volledige contact verzekert van elektrode tot geleidend gel tot de hoofdhuid met minimale impedantie. Gebruik een afgeschermde LAN-kabel en de MR veilige kabels om de filterboxen te verbinden met de stimulator en de rubberen elektroden.
Schakel vervolgens de stimulator in en test de impedantie. Als deze niet onder de 20 kilo ohm ligt, druk de elektroden op de hoofdhuid. Of, voeg eventueel elektrode gel toe.
Zorg ervoor dat de dekking van het elektrode gel beperkt blijft tot ongeveer hetzelfde oppervlak als de elektroden, en verwijder eventueel overtollig gel uit het gebied. Laat vervolgens de stimulator een paar seconden stroom leveren om het proefpersoon vertrouwd te maken met de zintuiglijke ervaring. Vraag hen naar de zintuiglijke waarneming tijdens deze test, inclusief of ze enig tinteling kunnen voelen en verdragen, en de omvang en locatie van eventuele fosfinen tijdens stimulatie.
Laat op dit punt de kabel aangesloten op de rubberen elektroden op het proefpersoon, maar koppel de stimulator, de reserve LAN-kabel en de buitenste en binnenste filterboxen los zodat het proefpersoon naar de scanner kan bewegen. Verbind nu de buitenste filterbox met de LAN-kabel die door de golfgeleider loopt, waarbij u zo min mogelijk kabel buiten de golfgeleider laat. Verbind vervolgens de stimulatorkabel.
Controleer ook nogmaals of de stimulator is verbonden met de triggeruitgang van de presentatiecomputer. Nadat u er zeker van bent dat het proefpersoon vrij is van magnetische materialen en klaar is voor het MRI-experiment, leidt u hem naar de scannerruimte. Bied oordopjes aan voor gehoorbescherming en laat het proefpersoon dan op het scannerbed gaan liggen.
Leg de elektrodekabel plat in een positie die comfortabel is voor het proefpersoon om voor de duur van het experiment te liggen, en plaats vervolgens kussens rond en onder hun hoofd. Plaats ook een kussen onder de benen van het proefpersoon voor comfort en om beweging te verminderen. Zorg voor een alarmbal en een MRI veilige responsknop waarvan de positie zodanig is dat minimale beweging vereist is om een knop in te drukken.
Vestig nu de hoofdspoel met een spiegel bevestigd zodat het proefpersoon de projectiescherm in de juiste oriëntatie kan zien. Bevestig vervolgens tijdelijk het vrije uiteinde van de elektrodekabel van de rubberen elektroden naar de hoofdspoel zodat deze niet vastloopt wanneer het bed beweegt. Beweeg het scannerbed in positie.
Verbind vervolgens vanaf de achterkant van de scannerboring de elektrodekabel van de rubberen elektroden naar de binnenste filterbox die verbinding maakt met de LAN-kabel. Om overtollige beweging tijdens de scans te voorkomen, bevestig de kabels en de filterbox langs de scannerbedbeugel rechts van de boring met tape en zandzakken. Plaats vervolgens het projectorscherm in de achterkant van de scannerboring.
Test tenslotte opnieuw de impedantie op de stimulator om ervoor te zorgen dat alle kabelverbindingen correct zijn gemaakt voordat u met het experiment begint. Begin met testen of de presentatiecomputer registreert wanneer het proefpersoon de responsknoppen indrukt. Vervolgens een hoog resolutie T1 gewogen anatomisch beeld verwerven met een een millimeter isotropische resolutie.
Eenmaal verkregen, pas de contrast- en vensterniveaus op dit beeld aan naar lage en hoge uitersten om visueel ruis te detecteren die het gevolg kan zijn van de stimulator opzet. Continueer dit monitoring tijdens de functionele beeldvorming verwerving. Start nu het experiment op de presentatiecomputer zodat het zal beginnen met de scanner trigger, en start de stimulator om te wachten op deze computer's output trigger.
Start op dit punt de FMRI verwerving. Laat de stimulator aan en aangesloten gedurende het FMRI experiment om verschillen in de temporele signaal-ruisverhouding tussen de stimulator aan en uit omstandigheden te voorkomen. Bewaak ook het stimulator display om te garanderen dat stroom wordt verzonden op gewenste tijdstippen ge
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor het combineren van transcraniële wisselstroomstimulatie (tACS) met functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) om hersenoscillaties te onderzoeken. Het protocol heeft tot doel het begrip van cognitieve neurowetenschap te verbeteren door veranderingen in de zuurstofniveau-afhankelijke activiteit tijdens stimulatie te meten.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Functionele beeldvorming
- Transcraniële stimulatie
Achtergrond
- tACS is een niet-invasieve techniek voor het bestuderen van hersenoscillaties.
- Het combineren van tACS met fMRI maakt real-time meting van hersenfunctie mogelijk.
- Deze methode kan inzicht geven in cognitieve processen en neurologische stoornissen.
- Er zijn uitdagingen bij het opzetten van de apparatuur om nauwkeurige resultaten te garanderen.
Doel van de studie
- Om de effecten van tACS op hersenactiviteit tijdens fMRI te meten.
- Om de relatie tussen neuro-oscillaties en cognitieve functies te verkennen.
- Om het begrip van visuele cognitie en andere cognitieve systemen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van proefpersonen en geïnformeerde toestemming.
- Elektrodeplaatsing volgens het 10-20 EEG-systeem.
- Gebruik van MR-veilige apparatuur om elektroden en stimulatoren aan te sluiten.
- Uitvoeren van fMRI-scans tijdens het toedienen van tACS.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle opzet van tACS met fMRI zonder significante ruisinterferentie.
- Meting van veranderingen in hersenactiviteit tijdens stimulatie.
- Inzichten verkregen in de effecten van tACS op cognitieve processen.
- Mogelijke toepassingen voor het diagnosticeren en behandelen van neurologische stoornissen.
Conclusies
- De combinatie van tACS en fMRI is een waardevol hulpmiddel in de cognitieve neurowetenschap.
- Deze methode kan het begrip van hersenfunctie en -oscillaties verbeteren.
- Er is verder onderzoek nodig om het volledige potentieel in verschillende cognitieve domeinen te verkennen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Simultaneous transcranial alternating current stimulation (tACS) and functional MRI (fMRI) enables direct, frequency-specific modulation and measurement of brain activity in real time. This integration advances mechanistic de-risking and predictive confidence for neuro-targeted therapeutic discovery, particularly where oscillatory brain function is implicated. The approach supports early-stage target validation and translational continuity for CNS portfolio assets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of oscillatory mechanisms underlying cognitive and neurological phenotypes.
- Supports functional target validation by linking stimulation parameters to BOLD signal changes.
- Facilitates mechanistic de-risking for neuropsychiatric and neurodegenerative targets.
- Provides quantitative readouts for hypothesis-driven portfolio triage.
Screening & Assay Development
- Establishes validated, reproducible protocols for brain stimulation and imaging integration.
- Delivers quantitative BOLD signal outputs for downstream compound or intervention screening.
- Supports assay standardization across frequency, current, and state-dependent conditions.
- Enables reliable evaluation of neuroactive agents in controlled, artifact-minimized settings.
Translational & Preclinical Research
- Aligns stimulation-induced brain activity changes with disease-relevant neural oscillations.
- Bridges discovery findings to preclinical models of cognition, behavior, and memory.
- Informs risk-adjusted advancement of CNS candidates based on translational biomarkers.
- Supports predictive de-risking for clinical translation of neuromodulatory interventions.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the interface of early discovery, target validation, and translational research for CNS programs.
- Discovery Biology: Provides direct hypothesis testing of oscillatory mechanisms and their modulation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative BOLD measurements for condition comparison.
- Analytics: Enables statistical mapping of current and frequency-dependent brain activity changes.
- Translational Research: Connects stimulation effects to disease-relevant neural signatures and preclinical endpoints.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for mechanistic studies across multiple CNS indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Standardizes complex neurostimulation-imaging workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital allocation for neurotherapeutic portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS assets based on functional biomarker data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, electrophysiology, and MR safety protocols.
- Demands MR-compatible stimulation hardware and artifact-minimizing infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of electrode placement and stimulation parameters.
- Adaptation across cognitive, motor, and behavioral paradigms may require protocol optimization.
- Complexity of synchronized setup and artifact control must be managed for reliable outputs.
