Nieinwazyjna elektryczna stymulacja mózgu w celu modulowania aktywności ludzkich neuronów ruchowych

Streszczenie

Źródło: Curado, M. et al., Nieinwazyjne montaże elektrycznej stymulacji mózgu do modulacji funkcji motorycznych człowieka. J. Vis. Exp. (2016)

Ten film pokazuje konfigurację i mechanizm przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) do modulacji funkcji motorycznych człowieka. Umieszczając anodę nad pierwszorzędową korą ruchową, a katodę nad przeciwległym obszarem nadoczodołowym, ukierunkowana stymulacja elektryczna zwiększa pobudliwość kory mózgowej, zwiększając aktywność neuronów ruchowych i poprawiając sprawność motoryczną.

Protokół

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrostanu ludzi i zostały zweryfikowane przez lokalną instytucjonalną komisję rewizyjną.

1. Badanie przesiewowe bezpieczeństwa

1. Badanie przesiewowe uczestnika pod kątem potencjalnych przeciwwskazań do nieinwazyjnej stymulacji mózgu, np. za pomocą kwestionariuszy.

2. Lokalizacja kory ruchowej

1. Zlokalizuj korę ruchową ręki uczestnika za pomocą jednego z dwóch różnych podejść: lokalizując mózgową reprezentację mięśnia będącego przedmiotem zainteresowania za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) indukowanej potencjałem wywołanym motorycznym (MEP) lub lokalizując standardową pozycję pierwotnej kory ruchowej (M1) (C3/C4) w oparciu o międzynarodowy system elektroencefalogramu (EEG) 10/20 za pomocą taśmy mierniczej.
2. W przypadku nagrywania MEP indukowanego przez TMS poproś uczestnika o usunięcie wszelkich przedmiotów, na które może wpływać pole magnetyczne TMS, w tym kart kredytowych, telefonów komórkowych i ogólnie metalowych przedmiotów.
3. Poproś uczestnika, aby usiadł wygodnie.
4. Sprawdź połączenia między wzmacniaczem elektromiografii (EMG) a komputerem używanym do konfiguracji i akwizycji sygnału w przypadku korzystania z interfejsu oprogramowania.
5. Włącz wzmacniacz EMG i podłącz elektrod EMG.
6. Oczyść skórę uczestnika, delikatnie pocierając pastą preparatyczną do skóry w obszarach dłoni, w których zostaną umieszczone elektrody. Usuń nadmiar za pomocą czystego gaziku.
7. Przymocuj elektrody powierzchniowe EMG w montażu brzucha-ścięgna do interesującego nas mięśnia ręki (np. M. abductor pollicis brevis prawej ręki) i podłącz elektrodę uziemiającą (np. na przedramieniu). Celem badania jest określenie, który mięsień ręki należy użyć.
   UWAGA: W przypadku elektrod wielokrotnego użytku konieczne jest nałożenie niewielkiej ilości pasty przewodzącej na powierzchnię elektrody przed przymocowaniem jej do skóry uczestnika.
8. (krok opcjonalny) Uruchom oprogramowanie do nagrywania w celu akwizycji MEP, jeśli wymagane jest przechowywanie danych MEP.
9. Sprawdź wartości impedancji EMG. Upewnij się, że impedancja wynosi < 20 kOhm.
10. Włącz stymulator magnetyczny i naładuj kondensator, naciskając odpowiedni przycisk "ładowanie".
11. Umieść cewkę TMS w kształcie ósemki na skórze głowy uczestnika w szczelinie międzypółkulowej i przenieś ją w obszar kory ruchowej (wokół pozycji C3/C4 międzynarodowego systemu EEG 10/20). Trzymaj cewkę TMS pod kątem 45 ° -50 ° w odniesieniu do szczeliny międzypółkulowej, z uchwytem skierowanym do tyłu, wytwarzając przepływ prądu korowego z tyłu do przodu.
    UWAGA: Do lokalizacji kory ruchowej używane są dwie odrębne cewki TMS: cewki ósemkowe lub okrągłe. Jeśli to możliwe, użyj cewki ósemkowej, ponieważ zapewnia ona bardziej ogniskową stymulację mózgu i większą wiarygodność pomiarów pobudliwości kory mózgowej.
12. Gdy stymulator magnetyczny jest naładowany (widoczny na wyświetlaczu), rozładuj stymulator albo naciskając przycisk spustowy, albo naciskając przełącznik nożny, albo automatycznie za pomocą oprogramowania. Spowoduje to następnie dostarczenie pojedynczego impulsu TMS przez podłączoną cewkę TMS umieszczoną nad skórą głowy uczestnika. Domyślne ustawienia impulsów TMS (np. czas narastania prądu indukowanego 100 μs i czas zaniku 800 μs dla bodźców jednofazowych; krótsze czasy zaniku dla bodźców dwufazowych) są specyficzne dla urządzenia (firmware).
13. Zacznij od niskiej intensywności stymulacji (np. ustaw intensywność na 45% mocy za pomocą pokrętła regulatora intensywności stymulacji na stymulatorze) i obserwuj MEP widoczne na wzmacniaczu EMG.
    1. Jeśli nie jest widoczny żaden MEP, zwiększaj intensywność stymulacji w krokach co 2-5%, aż MEP będzie wyraźnie obecny (np. amplituda 0,5-1 mV). Powtórz stymulację, naciskając przycisk spustowy lub aktywując przełącznik nożny, jeśli dostarczanie impulsów nie jest automatyczne. Poinformuj uczestnika, że stymulacja będzie nieco silniejsza i że spodziewane są ruchy kończyn, drganie twarzy i mruganie oczami.
       UWAGA: Ustal minimalny odstęp 5 sekund między impulsami, aby uniknąć wpływu stymulacji o niskiej częstotliwości na pobudliwość mózgu.
14. Przesuwaj cewkę promieniowo w krokach co 1 cm wokół początkowo stymulowanego miejsca, aby znaleźć miejsce o największej odpowiedzi MEP po zastosowaniu pojedynczych impulsów TMS. Stamtąd zacznij ponownie przesuwać cewkę, aby zabezpieczyć "gorący punkt" (obszar korowy o maksymalnej amplitudzie MEP).
    UWAGA: Użycie nasadki na głowę (np. używanej do oznaczania siatki) do procedury lokalizacji nie jest zalecane, ponieważ nasadka musi zostać zdjęta w celu umieszczenia elektrody do nieinwazyjnej elektrycznej stymulacji mózgu (NEBS), a pozycja hotspotu może zostać utracona.
15. Zmniejsz intensywność stymulacji w krokach co około 2% za pomocą pokrętła regulatora intensywności stymulacji na stymulatorze (MEP musi być nadal obecny). Pozwoli to uniknąć niedokładności spowodowanej stymulacją supramaksymalną. Ponownie potwierdź gorący punkt, przesuwając cewkę promieniowo w krokach co 1 cm wokół hotspotu i sprawdzając rozmiar MEP. Hotspot powinien nadal odpowiadać największej i najbardziej spójnej amplitudzie MEP.
    UWAGA: Poproś uczestnika o dobrowolne naciągnięcie interesującego mięśnia, jeśli hotspot jest trudny do znalezienia (np. brak MEP obecnego przy wysokiej intensywności stymulacji). W ten sposób zmniejsza się intensywność stymulacji potrzebna do wywołania MEP i może być łatwiej zidentyfikować odpowiednie miejsca stymulacji kory mózgowej. Jeśli ta metoda jest stosowana, poproś uczestnika o rozluźnienie mięśnia po znalezieniu odpowiedniego miejsca stymulacji i dostosowanie intensywności stymulacji tak, aby można było znaleźć wiarygodnych MEP, gdy mięsień jest w spoczynku. Kontynuuj, aby znaleźć hotspot.
16. Zaznacz pozycję hotspotu i orientację cewki za pomocą nietrwałego markera do skóry.
17. W przypadku obustronnej stymulacji M1 powtórz kroki od 2.11 do 2.16 dla kończyny przeciwległej.

3. Przygotowanie elektrody NEBS

1. Podłącz do elektrod gumowych i umieść elektrody w workach z gąbką. Upewnij się, że rozmiar elektrody i rozmiar torby z gąbką są zgodne. Materiały są dostępne w handlu w standardowych rozmiarach (np. 5x5 cm², 5x7 cm²).
2. Namocz torebki z biszkoptem po obu stronach izotonicznym roztworem chlorku sodu (NaCl), ale unikaj nadmiernego namaczania, aby zapobiec tworzeniu się mostków solnych lub kapaniu na ochotnika.
   1. Ten krok jest opcjonalny: Aby zapobiec wyciekowi roztworu NaCl podczas używania bandaży zamiast gumek, umieść elektrody i worki z gąbką w nieprzewodzących gumowych osłonach z gąbki.
      UWAGA: Alternatywnie, przykryj gumową elektrodę pastą przewodzącą i umieść ją bezpośrednio na głowie uczestnika, tzn. nie używając worków z gąbką lub gumowych osłon z gąbki.

4. Umiejscowienie elektrody NEBS (ryc. 1)

1. Znajdź oznaczenia na głowie wskazujące gorący punkt kory ruchowej i oddziel włosy wokół tego obszaru.
2. Aby poprawić przewodność, oczyść skórę przed umieszczeniem elektrody, delikatnie pocierając obszar skóry wokół oznaczeń głowy wacikiem nasączonym 40-50% alkoholem lub pastą do przygotowania skóry. Nie drap skóry! Usuń nadmiar wacikiem i ponownie oczyść obszar izotonicznym roztworem NaCl. Następnie osusz obszar.
   UWAGA: Upewnij się, że oznaczenia głowy pozostają widoczne; W razie potrzeby należy zwrócić uwagę.
3. Umieść jedną elektrodę zgodnie z oznaczeniem głowicy dla interesującego M1 (przeciwlegle do interesującej nas wskazówki). Doprowadź gąbkę do jak największego bezpośredniego kontaktu ze skórą. Umieść elektrody w kierunku pleców uczestnika, aby uniknąć zakłóceń podczas stymulacji i/lub wykonywania zadania oraz ułatwić połączenie z urządzeniem NEBS.
   UWAGA: Włosy poniżej elektrody powinny być wilgotne. W przypadku nadmiernego zwilżenia włosów należy użyć papieru lub ręczników do rąk, aby wchłonąć nadmiar.
   UWAGA: W przypadku anodowego tDCS elektroda umieszczona na interesującym miejscu kory ruchowej (pożądane jest zwiększenie pobudliwości) odpowiada anodzie, zwykle podłączonej do czerwonego. Katoda (zwykle podłączona do czarnego lub niebieskiego) jest umieszczana w przeciwległym obszarze nadoczodołowym lub M1 (patrz poniżej). Konwencjonalnie rozmieszczenie elektrod jest takie samo w przypadku przezczaszkowej stymulacji szumem losowym (tRNS), chociaż w klasycznym protokole nie ma specyficzności polaryzacji ze względu na przepływ prądu przemiennego. Określone umiejscowienie może być ważne, jeśli ustawienia stymulacji obejmują przesunięcie stymulacji.
4. W przypadku jednostronnej stymulacji M1 należy umieścić drugą elektrodę (dla anodowego tDCS: katodę) nad przeciwległym obszarem nadoczodołowym (odpowiadającym elektrodzie Fp2 w międzynarodowym systemie EEG 10/20). Upewnij się, że jest skierowany w stronę tyłu uczestnika.
5. Przykryj głowę dwukrotnie bandażem elastycznym okrężnie w kierunku środkowo-bocznym, aby ustabilizować elektrodę M1, a następnie użyj pozostałego bandaża, aby przykryć głowę okrężnie w kierunku przednim-tylnym, aby ustabilizować obie elektrody.
6. Użyj taśmy klejącej, aby przymocować koniec bandaża.
7. Zabezpiecz taśmą klejącą na szyi lub koszuli uczestnika.
8. Podłącz elektrod do urządzenia NEBS.

5. Przełącznik stymulacji

1. na urządzeniu NEBS.
2. Dostosuj ustawienia urządzenia NEBS pod kątem typu stymulacji (tDCS lub tRNS), intensywności (np. 1 mA, 1.5 mA lub 2 mA), czasu trwania (np. 10-40 min), zwiększania i zmniejszania (czas między rozpoczęciem stymulacji a maksymalną intensywnością, zwykle 8-15 sekund) oraz dodatkowych czynników związanych z typem stymulacji (np. spektrum częstotliwości dla tRNS).
   UWAGA: Konwencjonalnie, stymulacja pozorowana obejmuje natychmiastowe zwiększenie mocy, a następnie zmniejszenie stymulacji. W związku z tym uczestnik odczuwa stymulację, ale czas trwania stymulacji nie jest wystarczający, aby wywrzeć trwały wpływ na funkcjonowanie mózgu. Niektóre urządzenia NEBS zawierają tryb badania, który umożliwia zaślepienie uczestnika i badacza poprzez wprowadzenie kodu tematu specyficznego dla badania. Kod automatycznie określa ustawienia stymulacji. Alternatywnie, drugi eksperymentator może ustawić ustawienia stymulacji w każdej sesji i zakryć wyświetlacz przed eksperymentatorem prowadzącym stymulację.
3. Poinformuj uczestnika o potencjalnych skutkach ubocznych związanych ze stosowaniem NEBS. Częste działania niepożądane obejmują swędzenie/mrowienie skóry lub pieczenie pod elektrodami, ból głowy i dyskomfort. Uczucie pieczenia może być oznaką słabego kontaktu elektrody ze skórą.
4. Rozpocznij stymulację.
   UWAGA: Typowy czas trwania stymulacji trwa około 10-20 minut na podstawie raportów badających zmiany w pobudliwości kory mózgowej (patrz sekcja z reprezentatywnymi wynikami). Empirycznie maksymalny czas trwania stymulacji ustalono na 40 minut.
5. Sprawdź ciągłość stymulacji podczas zwiększania i stymulacji. Jeśli impedancja jest zbyt wysoka lub elektrody mają zły kontakt ze skórą, stymulacja może zakończyć się automatycznie.
   UWAGA: W przypadku, gdy impedancja jest zbyt wysoka lub uczestnik zgłasza narastający dyskomfort podczas stymulacji, spróbuj zmniejszyć impedancję, np. poprzez lepsze zamocowanie elektrod w miejscach stymulacji lub dodanie medium przewodzącego. Roztwór NaCl można dodawać za pomocą strzykawki bezpośrednio do gąbek po ich umieszczeniu na głowie.
   UWAGA: Niektóre urządzenia ze względów bezpieczeństwa podają impedancję podczas stymulacji. Urządzenie NEBS może się wyłączyć, jeśli impedancja osiągnie określony próg (np. 55 kOhm).

Wyniki

Rysunek 1. Montaże elektrod i kierunek prądu dla różnych strategii NEBS. (A) W przypadku jednostronnej anodycznej przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS), anoda jest wyśrodkowana nad główną korą ruchową będącą przedmiotem zaintere...

Materiały