Artykuł metodologiczny

Jednoczesne monitorowanie EEG podczas przezczaszkowej stymulacji prądem stałym

41.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50426

⸱

17 czerwca 2013

 ,  , 
1Programa de Pós-Graduação em Ciências Médica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES), 3Laboratory of Neuromodulation, Department of Physical Medicine & Rehabilitation, Spaulding Rehabilitation Hospital and Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 4De Montfort University

W tym artykule

Podsumowanie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to nieinwazyjna technika stymulacji mózgu, która wykazała początkowe efekty terapeutyczne w kilku stanach neurologicznych. Głównym mechanizmem leżącym u podstaw tych efektów terapeutycznych jest modulacja pobudliwości kory mózgowej. Dlatego monitorowanie pobudliwości kory mózgowej online pomogłoby w kierowaniu parametrami stymulacji i optymalizacji jej efektów terapeutycznych. W niniejszym artykule omówiono zastosowanie nowatorskiego urządzenia, które łączy jednoczesne monitorowanie tDCS i EEG w czasie rzeczywistym.

Streszczenie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to technika, która dostarcza słabe prądy elektryczne przez skórę głowy. Ten stały prąd elektryczny indukuje zmiany w pobudliwości błony neuronalnej, powodując wtórne zmiany w aktywności kory mózgowej. Chociaż tDCS ma większość swojego neuromodulacyjnego wpływu na leżącą poniżej korę mózgową, efekty tDCS można również zaobserwować w odległych sieciach neuronowych. W związku z tym jednoczesne monitorowanie EEG skutków tDCS może dostarczyć cennych informacji na temat mechanizmów tDCS. Ponadto wyniki EEG mogą być ważnym markerem zastępczym dla efektów tDCS, a tym samym mogą być wykorzystane do optymalizacji jego parametrów. Ten połączony system EEG-tDCS może być również stosowany w profilaktyce schorzeń neurologicznych charakteryzujących się nieprawidłowymi szczytami pobudliwości korowej, takimi jak drgawki. Taki system byłby podstawą nieinwazyjnego urządzenia działającego w pętli zamkniętej. W tym artykule przedstawiamy nowatorskie urządzenie, które jest w stanie jednocześnie wykorzystywać tDCS i EEG. W tym celu opisujemy krok po kroku główne procedury stosowania tego urządzenia za pomocą schematycznych rysunków, tabel i demonstracji wideo. Dodatkowo przedstawiamy przegląd literatury na temat klinicznych zastosowań tDCS i jego efektów korowych mierzonych za pomocą technik EEG.

Wprowadzenie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to technika, która wykorzystuje słabe i bezpośrednie prądy elektryczne dostarczane w sposób ciągły przez skórę głowy do wywoływania zmian w pobudliwości kory mózgowej 1, 2. Wykorzystując motoryczne potencjały wywołane jako marker pobudliwości kory ruchowej, Nitsche i Paulus3 wykazali, że kierunek efektów tDCS w mózgu jest zależny od polaryzacji: stymulacja katodowa indukuje spadek pobudliwości kory mózgowej, podczas gdy stymulacja anodowa indukuje wzrost pobudliwości kory mózgowej. Ten wpływ na pobudliwość kory mózgowej może utrzymywać się przez ponad godzinę po stymulacji. Te wywołane przez tDCS zmiany w pobudliwości kory mózgowej mogą powodować znaczące efekty behawioralne. Jedną z ważnych kwestii jest zmienność wpływu tDCS na zachowanie. Istnieje kilka powodów, dla których można wyjaśnić tę zmienność. Badania nad fMRI 4 i elektroencefalografią (EEG) 5,6 pokazują, że chociaż tDCS ma najbardziej aktywujący wpływ na leżącą poniżej korę mózgową, stymulacja wywołuje rozległe zmiany w innych obszarach mózgu. Ponadto wykazano, że efekty tDCS zależą od stanu wyjściowej aktywności kory mózgowej 7. W związku z tym, biorąc pod uwagę te źródła zmienności, pożądane jest stosowanie lepszych substytutów do pomiaru skutków tDCS.

W tym kontekście, proponujemy użycie jednoczesnego monitorowania EEG w celu dostarczenia danych w czasie rzeczywistym na temat wpływu tDCS na pobudliwość kory mózgowej z kilku powodów. Po pierwsze, optymalizacja parametrów stymulacji tDCS. Po drugie, dostarczenie informacji na temat nowych celów terapeutycznych. Po trzecie, aby zapewnić bezpieczeństwo podczas stymulacji mózgu, zwłaszcza u dzieci. Po czwarte, aby pomóc we wczesnym wykrywaniu i leczeniu napadów padaczkowych u pacjentów z nieuleczalną padaczką, tj. systemem zamkniętej pętli. Wreszcie, urządzenie to może mieć również potencjalne zastosowanie w systemach interfejsu mózg-komputer.

Ze względu na kluczową rolę monitorowania zmian pobudliwości kory mózgowej związanych z nieinwazyjną stymulacją mózgu, celem tego artykułu jest pokazanie, jak połączyć stosowanie tDCS z EEG za pomocą nowatorskiego urządzenia (StarstimÒ - Neuroelectrics Instrument Controller, v 1.0; Rev 2012-08-01, Neurolelectrics, Barcelona, Hiszpania). Należy zauważyć, że ten artykuł nie zawiera szczegółowych informacji na temat aplikacji tDCS. Aby w pełni zrozumieć zastosowanie tej techniki, zalecamy przeczytanie artykułu na temat tDCS od DaSilva i wsp. 11

Protokół

1. Materiały

  1. Sprawdź, czy wszystkie materiały są dostępne (Rysunek 1) przed rozpoczęciem poniższych kroków.
  2. Dostępne są 3 rozmiary czepków neoprenowych, w zależności od wielkości głowy osoby badanej (mała, średnia i duża). Czepek posiada 27 otworów reprezentujących pozycje EEG w oparciu o układ 10/20: przedczołowe (F8, AF8, Fp2, Fpz, Fp1, AF7, F7), czołowe (F4, Fz, F3), środkowe (C3, C1, Cz, C2, C4), ciemieniowe (P7, P3, Pz, P4, P8), skroniowe (T7, T8) i potyliczne (PO7, O1, Oz, O2, PO8).
  3. Elektrody mają 2 różne zastosowania; mogą być używane do EEG (sześć kanałów) i do tDCS (dwa kanały dla elektrod gąbczastych, anoda i katoda). W niektórych okolicznościach można użyć więcej niż dwóch miejsc stymulacji. W takim przypadku wymagane będą cztery elektrody gąbkowe, a co za tym idzie, do zapisów EEG pozostaną tylko 4 kanały.
  4. Zmienność rozmiaru elektrod tDCS prowadzi do zmienności efektów ogniskowych 11. Wraz ze zmniejszeniem wymiaru elektrody można uzyskać bardziej ogniskową stymulację. Z drugiej strony, zwiększając rozmiar elektrody, możliwe jest uzyskanie elektrody funkcjonalnie nieefektywnej. Najczęściej stosowane proporcje to 25 cm2 (5 cm x 5 cm) lub 35 cm2 (5 cm x 7 cm). W tym artykule zostaną użyte elektrody gąbczaste o długości 25cm2.
  5. Wszystkie elektrody muszą być podłączone do urządzenia Control Box za pomocą przewodów. To urządzenie musi być okresowo ładowane za pomocą ładowarki do akumulatorów w skrzynce kontrolnej. Ze względów bezpieczeństwa nie ma możliwości ładowania Control Boxa podczas aktywnej stymulacji.
  6. Połączenie USB dla Bluetooth jest potrzebne do sparowania skrzynki kontrolnej z laptopem/komputerem (patrz poniżej).

2. Przygotowanie skóry

  1. Sprawdź skórę pod kątem istniejących wcześniej zmian - unikaj stymulacji elektrycznej/zapisu EEG nad uszkodzoną skórą lub nad zmianami w czaszce.
  2. Aby zwiększyć przewodność, odsuń włosy od miejsca stymulacji elektrycznej/rejestracji EEG i umieść plastikowe spinki do włosów, aby utrzymać włosy z daleka, oczyść powierzchnię skóry, aby usunąć wszelkie ślady balsamu, brudu, tłuszczu itp. i pozostaw do wyschnięcia.

3. Wymiary głowy

  1. Znajdź i zaznacz lokalizację wierzchołka lub Cz (ryc. 2), mierząc odległość nasion do iniona i zaznaczając połowę za pomocą markera skórnego 11.

4. Umiejscowienie elektrod w nasadce

  1. Umieść roztwór soli fizjologicznej na elektrodach gąbczastych tDCS. Elektrody gąbczaste należy nasączyć roztworem soli fizjologicznej 11 przed założeniem nasadki na głowę. Na gąbkę o długości 25-35cm2 powinno wystarczyć około 6 ml roztworu z każdej strony. Ważne jest, aby w przypadku przedłużonego protokołu stymulacji okresowo napełniać elektrodę gąbkową roztworem soli fizjologicznej.
  2. Elektrody EEG i tDCS muszą być zamocowane w czepce, zanim osoba badana będzie ją fizycznie nosić.
  3. Więcej informacji na temat ogólnego przygotowania i pozycjonowania elektrod tDCS znajduje się w punkcie 11.

5. Zakładanie czapki i mocowanie na niej skrzynki kontrolnej

  1. Upewnij się, że fotografowany obiekt siedzi wygodnie.
  2. Umieść nasadkę w taki sposób, aby wierzchołek (mierzony na głowie) pasował do punktu Cz na nasadce. Ważne: dotyczy to tylko głów średniej wielkości. W razie potrzeby dostępne są trzy różne rozmiary nasadek.
  3. Napełnij elektrody EEG żelem za pomocą zakrzywionej strzykawki.
  4. Podłącz elektrody EEG i tDCS do przewodów skrzynki sterowniczej. Skrzynka kontrolna musi być przymocowana do tylnej części nasadki. Kanały 1 i 2 służą do stymulacji, a pozostałe (od 3 do 8) służą do rejestracji EEG. Ich umiejscowienie w czapce będzie zależało od pożądanego podejścia eksperymentalnego zarówno do rejestrowania, jak i stymulacji (Tabela 1). Jako demonstracja zostanie wyświetlona klasyczna konfiguracja tDCS z lewą anodą: anoda = M1; katoda = Przeciwbieżny nadoczodołowy. W celu tego montażu podłącz anodę (czerwoną elektrodę gąbkową) do C3, a katodę (czarną elektrodę gąbkową) do Fp2.
  5. Umieść elektrody odniesienia na jednym z wyrostka sutkowatego, upewniając się, że się nie stykają, i przymocuj je do przewodów (CMS, Common Mode Sense i DRL, Driven Right Leg) ze skrzynki sterowniczej.

6. Konfiguracja stymulacji i nagrywania

  1. W celu skonfigurowania parametrów stymulacji i sprawdzenia rejestracji należy poprawnie zainstalować oprogramowanie zgodnie z instrukcją producenta.
  2. Naciśnij "STYMULACJA" w poziomym pasku na górnym ekranie (Rysunek 3).
  3. Wybierz opcję "EDYTUJ" na górnym ekranie i wybierz "tDCS" lub "pozorowane" spośród innych technik stymulacji elektrycznej, takich jak "przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS)" i "przezczaszkowa stymulacja hałasem losowym" (tRNS) (Rysunek 3a). Szczegóły takich podejść wykraczają poza zakres tego artykułu i są lepiej omówione w innym miejscu 12, 13.
  4. Wybierz całkowity czas trwania stymulacji elektrycznej, zwykle 20 minut (ryc. 3b) i przy intensywności 2mA. Uwaga: urządzenie jest w stanie stymulować elektrycznie i rejestrować sygnały EEG przez maksymalnie 1 godzinę, jeśli zajdzie taka potrzeba.
  5. Wybierz położenie elektrody zgodnie z kanałami (Rysunek 3c).
  6. Skonfiguruj kanały tDCS i EEG (ryc. 3d) zgodnie z podejściem eksperymentalnym (tabela 1). Elektrody referencyjne są oznaczone jako DRL i CMS. Upewnij się, że wybrałeś odpowiednią funkcję dla każdego kanału. Ważne: oznacz elektrodę aktywnej stymulacji jako "anodę" lub "katodę", a jej odniesienie jako "powrót" (rysunek 3d).
  7. W menu paska znajdującym się w dolnej części ekranu wybierz czas trwania rampy w dół i w górę, zwykle 30 sekund (Rysunek 3e). Na tym etapie wybierzesz również czas trwania zapisów EEG przed i po (ryc. 3f). Zapis EEG nie jest zależny od stymulacji i można go zaprogramować tak, aby rozpoczynał się przed, w trakcie lub po zakończeniu tDCS.
  8. Aby sprawdzić impedancję elektrody, naciśnij "STYMULACJA" w górnej części ekranu, a następnie "MOUNT" po lewej stronie ekranu, a następnie "ROZPOCZNIJ KONTROLĘ IMPEDANCJI" (Rysunek 4).

7. Uruchom urządzenie

  1. Pacjent powinien być zrelaksowany, wygodny i przytomny podczas zabiegu.
  2. Naciśnij "LAUNCH" w dolnej części ekranu (Rysunek 5a).
  3. Sprawdź, czy pionowy szary pasek przesuwa się do przodu przed (Rysunek 5b), podczas (5c) i po (5d) tDCS.
  4. Ponownie sprawdź impedancję elektrody (rysunek 5e).
  5. Naciśnij "Przerwij", aby zawiesić stymulację w dowolnym momencie, jeśli zajdzie taka potrzeba (Rysunek 5f).

8. Zapisz dane EEG

  1. Naciśnij "EEG" na górnym ekranie, aby sprawdzić, czy sygnały EEG są widoczne i czy nie ma żadnych artefaktów (Rysunek 6, żółty nawias). Sygnały mogą być filtrowane w zakresie od 2 do 15 Hz w celu wyjaśnienia śladów EEG.
  2. Zapis EEG rozpocznie się automatycznie, gdy tylko zostanie naciśnięta ikona LAUNCH.
  3. Podczas stymulacji trwające EEG można sprawdzić w trzech różnych panelach, zlokalizowanych na pionowym pasku menu (ryc. 6).
    1. Dziedzina czasu (rysunek 6): zobacz dane w trakcie ich odbierania, wybierając różne skale czasu i napięcia.
    2. Widmo (rysunek 7): wybierz kanał i zwizualizuj widmo mocy online, tj. ekran pokazuje moc każdej częstotliwości EEG za pomocą analizy szybkiej transformaty Fouriera (FFT) w czasie rzeczywistym.
    3. Spektrogram (ryc. 8): wizualizacja spektrogramu mocy online, uzyskując informacje o zawartości częstotliwości zarejestrowanego EEG w funkcji czasu (analiza czasowo-częstotliwościowa).
  4. W każdej z wyżej wymienionych opcji badacz jest w stanie przefiltrować aktywność EEG (ryc. 6, żółty prostokąt) do określonych pasm częstotliwości (tabela 2). W większości badań dotyczących wpływu tDCS na aktywność EEG stosowano to podejście do analizy danych (Tabela 3).

Wyniki

tDCS jest obecnie badany jako narzędzie terapeutyczne w różnych schorzeniach neurologicznych, w tym w ciężkiej depresji 14, 15, zespół stresu pourazowego 16, głód żywności 17, marihuany 18, alkoholu 19 i tytoniu 20, a także w leczeniu bólu 21, szumów usznych 22, migreny 23, epilepsji 24, choroby Parkinsona 25, 26, rehabilitacji po udarze 27, 28 oraz dysfunkcji poznawczych 6, 29. Tabela 1 przedstawia oparte na dowodach układy elektrod tDCS stosowane w leczeniu różnych stanów klinicznych.

W większości przypadków poprawa kliniczna po tDCS jest przypisywana głównie jego efektom korowym. Istnieje kilka sposobów ilościowego określania zmian korowych, a najczęściej stosowanymi z nich są funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), pobudliwość kory mierzona za pomocą TMS oraz elektroencefalografia (EEG). W porównaniu z fMRI, EEG charakteryzuje się gorszą rozdzielczością przestrzenną, ale lepszą rozdzielczością czasową 30, co pozwala na dokładniejsze odzwierciedlenie czasu aktywności neuronalnej. Ponadto, w porównaniu z pobudliwością kory mierzoną przez TMS, EEG zapewnia większą rozdzielczość przestrzenną. Na przykład, korzystając z urządzenia tDCS/EEG, możliwe jest wykrycie bieżących zmian w surowym zapisie EEG w odpowiedzi na tDCS. Rysunek 9 przedstawia osłabienie aktywności korowej, głównie w obszarze ciemieniowym, po włączeniu tDCS (kanały C3 i C4). Należy zauważyć, że podczas stymulacji nie jest możliwe rejestrowanie aktywności mózgu w tych samych kanałach, które są wykorzystywane do stymulacji.

Wpływ tDCS na EEG był ostatnio badany przez kilku autorów (patrz Tabela 3), jednak tylko jeden z nich zastosował tDCS i EEG jednocześnie 31. Większość badań wykazała istotne zmiany w EEG po zastosowaniu tDCS poprzez analizę widma mocy EEG w odpowiedzi na aktywną stymulację tDCS w porównaniu z tDCS pozorowaną (sham-tDCS). Dzięki analizie widma mocy sygnały EEG mogą zostać rozłożone na sumę czystych składowych częstotliwości z wykorzystaniem analizy FFT. W ten sposób sygnały można analizować pod kątem ich widma mocy, które dostarcza informacji o mocy sygnału dla każdej częstotliwości (Tabela 2).

Rysunek 7 przedstawia reprezentatywny przykład trwającej aktywności EEG podczas tDCS (czerwony nawias na dole) oraz po analizie FFT (czerwone koło). Pierwszy szczyt aktywności odpowiada częstotliwościom pasma theta (5-7 Hz), a drugi pasma alfa (8-10 Hz). Amplitudę szczytów EEG mierzy się w μV2.

Kolejny przykład pochodzi z badania Maeoki et al. 36, w którym autorzy stwierdzili lokalny spadek amplitudy pasma alfa i wzrost amplitudy pasma beta po stymulacji anodowej grzbietowo-bocznej kory przedczołowej połączonej ze stresem emocjonalnym.

Rycina 10 przedstawia ilustracyjny przykład wpływu tDCS na ilościowe EEG (widmo mocy). Amplituda fal alfa w obszarze czołowym była znacząco wyższa w odpowiedzi na aktywną stymulację tDCS w porównaniu do sham-tDCS lewej grzbietowo-bocznej kory przedczołowej.

Zatem, wykorzystując automatyczną analizę FFT (Rysunek 7), badacz może określić i zmierzyć amplitudę dominujących aktywności częstotliwościowych EEG (delta, theta, alpha, beta, gamma) w trakcie oraz po tDCS. W zależności od regionu stymulacji i innych warunków eksperymentalnych oczekuje się zmian amplitudy konkretnych pasm częstotliwości EEG po tDCS (Tabela 3). W rzeczywistości dodanie funkcji analizy FFT do zapisu EEG podczas tDCS stwarza wyjątkową okazję do zrozumienia korowych efektów neuromodulacyjnych w czasie rzeczywistym.

Wreszcie sygnały EEG można analizować za pomocą techniki zwanej analizą czasowo-częstotliwościową lub obrazowaniem spektrogramowym. Technika ta jest uznawana za obiecującą w celach badawczych; jednak ten rodzaj analizy EEG nie został jeszcze w pełni zwalidowany do celów diagnostycznych i w tym zastosowaniu powinien być interpretowany z ostrożnością 8.

Rysunek 8 przedstawia przykładowy spektrogram EEG przetworzony przez to samo urządzenie.

Konfiguracja sprzętu EEG i tDCS; obejmuje elektrody, moduł sterujący, czepek, wykorzystywane do analizy aktywności mózgu.
Rysunek 1. Lista materiałów wymaganych do jednoczesnego monitorowania EEG podczas tDCS: czepek neoprenowy, moduł sterujący, kable, elektrody, taśma miernicza, roztwór soli fizjologicznej i adapter Bluetooth USB.

Schemat anatomii ludzkiej głowy z etykietami: Nasion, Vertex, Inion, Nos, Ucho.
Rycina 2. Lokalizacja vertex (Cz) na skórze głowy 11: Zmierzyć odległość od nasion do inion i zaznaczyć punkt środkowy za pomocą markera skórnego.

Interfejs konfiguracji neurostymulacji; tDCS, zapis EEG; ekran konfiguracji parametrów stymulacji.
Rycina 3. Zrzut ekranu stymulacji: a) tryb stymulacji elektrycznej (tDCS, tACS, tRNS, sham); b) całkowity czas trwania stymulacji elektrycznej; c) rozmieszczenie elektrod zgodnie z kanałami; d) konfiguracja kanałów tDCS i EEG; e) czas narastania prądu tDCS; f) czasy trwania zapisu EEG.

Schemat stymulacji EEG; rozmieszczenie elektrod; kontrola impedancji; konfiguracja sprzętu neuroelektronicznego.
Rycina 4. Zrzut ekranu z programu Mount: Kontrola impedancji elektrod przed rozpoczęciem stymulacji.

Schemat neuronaukowy; zapis EEG przed i po stymulacji; konfiguracja monitorowania sygnału z elektrod.
Rycina 5. Zrzut ekranu uruchamiania: a) przycisk LAUNCH; b) pionowy szary pasek przed tDCS; c) pionowy szary pasek podczas tDCS; d) pionowy szary pasek po tDCS; e) ponowna kontrola impedancji; f) przycisk ABORT.

Interfejs analizy sygnału EEG; wykres napięcia w dziedzinie czasu; wizualizacja danych oscylacji neuronalnych.
Rysunek 6. EEG w dziedzinie czasu: należy sprawdzić bazową aktywność EEG i w razie potrzeby wybrać częstotliwości pasm EEG (żółta strzałka w prawym dolnym rogu).

Oprogramowanie do analizy EEG pokazujące widma fal theta i alfa; wizualizacja częstotliwości fal mózgowych.
Rysunek 7. Widmo mocy EEG: sprawdzenie dominującego pasma częstotliwości EEG (czerwone koło) po automatycznej analizie Szybkiej Transformaty Fouriera (FFT) surowej aktywności EEG (czerwony prostokąt na dole).

Analiza danych EEG, spektrogram, przebieg napięcia, interfejs oprogramowania do monitorowania aktywności mózgu.
Rysunek 8. Spektrogram EEG: Sygnały EEG (czerwony prostokąt na dole) mogą zostać przekształcone w obrazy (czerwone koło) przy użyciu techniki analizy czasowo-częstotliwościowej.

Sygnały EEG przed i po tDCS; wykres szeregów czasowych; ustawienie tDCS: 2mA, C3 do C4; analiza aktywności mózgu.
Rycina 9. Osłabienie aktywności EEG w obszarze ciemieniowym w odpowiedzi na anodową tDCS (Anoda = C3; Katoda = C4). Należy zauważyć, że podczas stymulacji nie jest możliwe rejestrowanie aktywności mózgu w tych samych kanałach, które są wykorzystywane do stymulacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę.

Wykres słupkowy porównujący moc fal alfa; Sham vs Anodal; istotna różnica p<0.05.
Rysunek 10. Efekty tDCS na widmo mocy EEG: Zwróć uwagę na różnice w amplitudzie fal alfa (a) i beta (b) w obszarach czołowych w odpowiedzi na aktywną tDCS w porównaniu z sham-tDCS nad lewą grzbietowo-boczną korą przedczołową.

ChorobaAutorzyPozycjonowanie elektrody anodyPozycjonowanie elektrody katody
DepresjaBoggio et al., 2008; Loo et al., 2012DLPFCNadorbitalna
BólFregni et al., 2006M1Nadorbitalna
UdarLindenberg et al., 2010M1M1
Boggio et al., 2007M1 (strona objęta udarem)Nadorbitalna
NadorbitalnaMI (strona nieobjęta udarem)
TinnitusFregni et al., 2006LTANadorbitalna
ParkinsonBenninger et al., 2010M1/DLPFCWyrostek sutkowaty
Fregni et al., 2006M1Nadorbitalna
MigrenaAntal et al., 2011V1Oz
Nadużywanie alkoholuBoggio et al., 2008P/L - DLPFCL/P - DLPFC

Tabela 1. Konfiguracje elektrod tDCS w różnych stanach klinicznych. Legendy: LTA, lewy obszar skroniowo-ciemieniowy; V1, kora wzrokowa; DLPFC, grzbietowo-boczna kora przedczołowa; M1, kora ruchowa; R, prawo; L, lewo.

PrążkiSymbolCzęstotliwość (Hz)Najlepsze miejsce rejestracjiBardziej wyraźne podczas…
Deltaδ1-4Przednia (dorośli), tylna (dzieci)Głębokie fazy snu (3 i 4)
Thetaθ5-7Rozlane w skórze głowySenność
Alfaα8-12Regiony tylneBudzi się z zamkniętymi oczami
Betaβ13-30FrontalnyWysiłek umysłowy, sen głęboki
Gammaγ31-45Kora somatosensorycznaZadania dotyczące pamięci krótkotrwałej i stymulacja dotykowa

Tabela 2. Pasma częstotliwości EEG.

AutorzyPozycjonowanie elektrody anodyPozycjonowanie elektrody katodyKanały EEG (liczba)Główne wyniki
Ardolino et al., 2005Fp1C44Obustronny wzrost pasm delta i theta w obszarach czołowych.
Keeser et al., 2011F3Fp225Spadek pasma delta w obszarach czołowych i przedczołowych.
Marshall et al., 2011F3/F4Wyrostki sutkowate7- Sen non-REM: spadek pasma delta w obszarach czołowych.
- Sen REM: globalny wzrost pasma gamma.
Wirth et al., 2011F3Prawe ramię52Globalny spadek pasma delta.
Zaehle et al., 2011F3Wyrostki sutkowate32- Anodalna: lokalny wzrost pasm theta i alfa.
- Katodalna: lokalny spadek pasm theta i alfa.
Jacobson et al., 2011Pomiędzy T4-FzFp127Spadek pasma theta w prawym obszarze czołowym.
Polania et al., 2011C3Fp362- Globalna synchronizacja wszystkich badanych pasm.
Maeoka et al., 2012F3Fp2128Lokalny wzrost pasma beta i spadek pasma alfa.

Tabela 3. Badania analizujące wpływ tDCS na zapisy EEG.

Dyskusja

Kwestie bezpieczeństwa

Początkowo pacjenci powinni zostać przebadani pod kątem wszelkich przeciwwskazań do stosowania tDCS 11. Sprawdź również, czy nie ma zmian skórnych lub chorób, ponieważ istnieją dowody na zmiany wywołane tDCS w zależności od integralności skóry. Jeśli tDCS jest silnie wskazany nad obszarem zmienionym chorobowo, możliwe jest wykonanie go przy mniejszym natężeniu, tj. 0,5-1,0 mA. Nie ma jednak gwarancji, że zapobiegnie to podrażnieniom lub zmianom skórnym. W związku z tym stan skóry pod elektrodami powinien być sprawdzony przed i po tDCS 2.

Impedancja i elektrody

Impedancje elektrod powinny być jak najniższe. Zmniejsza to ryzyko zakłóceń wewnętrznych i zewnętrznych lub zniekształconych sygnałów. Impedancje powinny być również ponownie sprawdzane za każdym razem, gdy w sygnale 37 znajduje się jakikolwiek artefakt.

Wszystkie elektrody muszą być dobrej jakości, z nienaruszonymi powierzchniami. Elektrody wielokrotnego użytku o niespójnych powierzchniach mogą powodować nierównomierne gęstości prądu. Wszystkie elektrody powierzchniowe powinny być nałożone wystarczającą ilością żelu przewodzącego, aby zapewnić niskie impedancje, a impedancje powinny być sprawdzane pod kątem artefaktów 37.

Systemy zamkniętej pętli

System zamkniętej pętli to system zdolny do diagnozowania nieprawidłowości elektrofizjologicznych i szybkiego ich leczenia 8, 10. Obrazowym przykładem jest detektor skoków EEG dla zbliżającego się napadu. Zasada ta została z powodzeniem zastosowana u pacjentów z ciężką padaczką. Morrell i współpracownicy 9 leczyli 191 osób z nieuleczalną padaczką za pomocą stymulatora wszczepionego do mózgu i zaobserwowali znaczne zmniejszenie częstotliwości napadów, a także poprawę jakości życia. Pomimo sukcesu, zabiegi inwazyjne wiążą się z ryzykiem i powikłaniami, takimi jak miejscowa infekcja lub niepożądane efekty nastroju lub poznawcze, dlatego pożądane jest alternatywne, nieinwazyjne podejście. W związku z tym prezentowane urządzenie może stanowić interesującą opcję dla tych pacjentów, którzy potrzebują szybkiej diagnozy neurofizjologicznej i szybkiego leczenia, takich jak pacjenci z padaczką.

Aplikacja systemu w pętli zamkniętej może nie być ograniczona tylko do pacjentów z padaczką. Wiele ostatnich badań sugeruje, że zmiany w EEG mogą być markerami różnych chorób neuropsychiatrycznych 30. Zastosowanie kombinacji tDCS i EEG może być również przydatne do optymalizacji parametrów stymulacji. Takie algorytmy nie są jeszcze opracowane, ale połączenie wyników badań EEG i tDCS może pomóc w ich rozwoju.

W porównaniu z TMS, który jest kolejną nieinwazyjną techniką stymulacji mózgu, tDCS jest uważany za znacznie bardziej odpowiedni do celów terapeutycznych, głównie ze względu na niski koszt i względną przenośność. Ponadto posiadanie systemu, który wykorzystuje nasadkę na głowę z wcześniej ustalonymi lokalizacjami elektrod, może ustandaryzować lokalizację stymulacji i poprawić wyniki. Kolejną zaletą tego urządzenia jest możliwość stymulacji więcej niż jednego miejsca w tym samym czasie, co według niektórych autorów okazało się klinicznie lepsze niż konwencjonalna stymulacja 38, 39.

Chociaż urządzenie ma wyraźne zalety, należy usunąć pewne ograniczenia, aby ulepszyć urządzenie na przyszłość. Po pierwsze, urządzenie nie może jednocześnie stymulować i rejestrować sygnałów EEG w tym samym miejscu (patrz rysunek 9). Po drugie, liczba kanałów dostępnych do rejestrowania EEG jest niewielka. Zwykle zaleca się użycie co najmniej 16 kanałów do odpowiedniego badania EEG, 40 , a nawet więcej kanałów do elektrookulografii w celu wykrycia artefaktów ruchu gałek ocznych. Rzeczywiście, w ciągu ostatnich kilku lat można zaobserwować tendencję do zwiększania liczby kanałów w badaniach EEG/tDCS (Tabela 3). Chociaż mała liczba kanałów może wpływać na czułość w wykrywaniu dynamicznych zmian pobudliwości kory mózgowej, taki system może być nadal przydatny do znajdowania algorytmów dla określonych lokalizacji elektrod.

Oświadczenia

Praca ta była częściowo wspierana przez firmę Neuroelectric z Barcelony w Hiszpanii, która produkuje instrument użyty w tym artykule.

Podziękowania

P.S. otrzymał wsparcie finansowe od CAPES, Brazylia. Prace te zostały częściowo wsparte grantem z CIMIT. Autorzy są również wdzięczni Uriemu Flililowi za jego pomoc techniczną oraz Olivii Gozel i Noelle Chiavette za pomoc w redakcji tego rękopisu.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Materiał
Neoprenowy nasadka na głowę NeuroelektrykaNE0191
Opaska neoprenowaNeuroelektrykaNE0201
Przednia sucha elektroda czołowaNeuroelektrykaNE0214
Elektroda żelowa front-endNeuroelektrykaNE0228
Butelka żelowa 60clNeuroelektrykaNE0161
Elektroda stymulująca Pi cm2NeuroelektrykaNE0248
Butelka z roztworem soli fizjologicznej 100mlNeuroelektrykaNE0331
Elektroda gąbkowa czołowa 25 cm2NeuroelektrykaNE0264
Elektroda adhezyjnaNeuroelektrykaNE02525
Klucz sprzętowy USB BluetoothNeuroelektrykaNE0311
karta USB z oprogramowaniemNeuroelektrykaNE0151
Strzykawka zakrzywionaNeuroelektrykaNE0141
ładowarka microUSB NECBOXNeuroelektrykaNE0131
elektrodyNeuroelektrykaNE017 101
Nazwa materiału
StarStim NECBOX NeuroelektrykaNE0121
czołowa

Bibliografia

  1. Fregni, F., Pascual-Leone, A. Technology insight: noninvasive brain stimulation in neurology-perspectives on the therapeutic potential of rTMS and tDCS. Nat. Clin. Pract. Neurol. 3, 383-393 (2007).
  2. Nitsche, M. A., Cohen, L. G. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1, 206-223 (2008).
  3. Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57, 1899-1901 (2001).
  4. Kwon, Y. H., Ko, M. H. Primary motor cortex activation by transcranial direct current stimulation in the human brain. Neurosci. Lett. 435, 56-59 (2008).
  5. Ardolino, G., Bossi, B., Barbieri, S., Priori, A. Non-synaptic mechanisms underlie the after-effects of cathodal transcutaneous direct current stimulation of the human brain. J. Physiol. 568, 653-663 (2005).
  6. Marshall, L., Kirov, R., Brade, J., Mölle, M., Born, J. Transcranial electrical currents to probe EEG brain rhythms and memory consolidation during sleep in humans. PLoS One. 6, 16905(2011).
  7. Brunoni, A. R., Nitsche, M. A. Clinical research with transcranial direct current stimulation (tDCS): challenges and future directions. Brain Stimul. 5, 175-195 (2012).
  8. Nuwer, M. Assessment of digital EEG, quantitative EEG, and EEG brain mapping: report of the American Academy of Neurology and the American Clinical Neurophysiology Society. Neurology. 49, 277-292 (1997).
  9. Morrell, M. J. RNS System in Epilepsy Study Group. Responsive cortical stimulation for the treatment of medically intractable partial epilepsy. Neurology. 77, 1295-1304 (2011).
  10. Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337, 735-737 (2012).
  11. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), e2744(2011).
  12. Antal, A., Boros, K., Poreisz, C., Chaieb, L., Terney, D., Paulus, W. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1, 97-105 (2008).
  13. Terney, D., Chaieb, L., Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation. J. Neurosci. 28, 14147-14155 (2008).
  14. Boggio, P. S., Rigonatti, S. P. A randomized, double-blind clinical trial on the efficacy of cortical direct current stimulation for the treatment of major depression. Int. J. Neuropsychopharmacol. 11, 249-254 (2008).
  15. Loo, C. K., Alonzo, A., Martin, D., Mitchell, P. B., Galvez, V., Sachdev, P. Transcranial direct current stimulation for depression: 3-week, randomised, sham-controlled trial. Br. J. Psychiatry. 200, 52-59 (2012).
  16. Boggio, P. S., Rocha, M. Noninvasive brain stimulation with high-frequency and low-intensity repetitive transcranial magnetic stimulation treatment for posttraumatic stress disorder. J. Clin. Psychiatry. 71, 992-999 (2010).
  17. Goldman, R. L., Borckardt, J. J. Prefrontal cortex transcranial direct current stimulation (tDCS) temporarily reduces food cravings and increases the self-reported ability to resist food in adults with frequent food craving. Appetite. 56, 741-746 (2011).
  18. Boggio, P. S., Zaghi, S. Modulation of risk-taking in marijuana users by transcranial direct current stimulation (tDCS) of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). Drug Alcohol Depend. 112, 220-225 (2010).
  19. Boggio, P. S., Sultani, N. Prefrontal cortex modulation using transcranial DC stimulation reduces alcohol craving: a double-blind, sham-controlled study. Drug Alcohol Depend. 92, 55-60 (2008).
  20. Fregni, F., Liguori, P. Cortical stimulation of the prefrontal cortex with transcranial direct current stimulation reduces cue-provoked smoking craving: a randomized, sham-controlled study. J. Clin. Psychiatry. 69, 32-40 (2008).
  21. Fregni, F., Gimenes, R. A randomized, sham-controlled, proof of principle study of transcranial direct current stimulation for the treatment of pain in fibromyalgia. Arthritis Rheum. 54, 3988-3998 (2006).
  22. Fregni, F., Marcondes, R. Transient tinnitus suppression induced by repetitive transcranial magnetic stimulation and transcranial direct current stimulation. Eur. J. Neurol. 13, 996-1001 (2006).
  23. Antal, A., Kriener, N., Lang, N., Boros, K., Paulus, W. Cathodal transcranial direct current stimulation of the visual cortex in the prophylactic treatment of migraine. Cephalalgia. 31, 820-828 (2011).
  24. Fregni, F., Otachi, P. T. A randomized clinical trial of repetitive transcranial magnetic stimulation in patients with refractory epilepsy. Ann. Neurol. 60, 447-455 (2006).
  25. Benninger, D. H., Lomarev, M. Transcranial direct current stimulation for the treatment of Parkinson's disease. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 81, 1105-1111 (2010).
  26. Boggio, P. S., Nunes, A. Repeated sessions of noninvasive brain DC stimulation is associated with motor function improvement in stroke patients. Restor. Neurol. Neurosci. 25, 123-129 (2007).
  27. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75, 2176-2184 (2010).
  28. Fregni, F., Boggio, P. S. Anodal transcranial direct current stimulation of prefrontal cortex enhances working memory. Exp. Brain Res. 166, 23-30 (2005).
  29. Shafi, M. M., Westover, M. B., Fox, M. D., Pascual-Leone, A. Exploration and modulation of brain network interactions with noninvasive brain stimulation in combination with neuroimaging. Eur. J. Neurosci. 35, 805-825 (2012).
  30. Wirth, M., Rahman, R. A. Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on behaviour and electrophysiology of language production. Neuropsychologia. 49, 3989-3998 (2011).
  31. Keeser, D., Padberg, F. Prefrontal direct current stimulation modulates resting EEG and event-related potentials in healthy subjects: a standardized low resolution tomography (sLORETA) study. Neuroimage. 55, 644-657 (2011).
  32. Zaehle, T., Sandmann, P., Thorne, J. D., Jäncke, L., Herrmann, C. S. Transcranial direct current stimulation of the prefrontal cortex modulates working memory performance: combined behavioral and electrophysiological evidence. BMC Neurosci. 12, 979-984 (2011).
  33. Polanía, R., Nitsche, M. A., Paulus, W. Modulating functional connectivity patterns and topological functional organization of the human brain with transcranial direct current stimulation. Hum. Brain Mapp. 32, 1236-1249 (2011).
  34. Maeoka, H., Matsuo, A., Hiyamizu, M., Morioka, S., Ando, H. Influence of transcranial direct current stimulation of the dorsolateral prefrontal cortex on pain related emotions: a study using electroencephalographic power spectrum analysis. Neurosci. Lett. 512, 12-16 (2012).
  35. Isley, M. R., Edmonds, H. L. Jr, Stecker, M. American Society of Neurophysiological Monitoring. Guidelines for intraoperative neuromonitoring using raw (analog or digital waveforms) and quantitative electroencephalography: a position statement by the American Society of Neurophysiological Monitoring. J. Clin. Monit. Comput. 23, 369-390 (2009).
  36. Faria, P., Leal, A., Miranda, P. C. Comparing different electrode configurations using the 10-10 international system in tDCS: a finite element model analysis. Conf Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 1596-1599 (2009).
  37. Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. J. Neural. Eng. 8, 046011(2011).
  38. Flink, R., Pedersen, B. Guidelines for the use of EEG methodology in the diagnosis of epilepsy. International League Against Epilepsy: commission report. Acta Neurol. Scand. 106, 1-7 (2002).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Jednoczesne EEG-tDCSpobudliwość korowapobudliwość błony neuronalnejwidmo mocy EEGanaliza czasowo-częstotliwościowazakładanie czepkamonitorowanie impedancji elektrodsystem zamkniętej pętli
Jednoczesne monitorowanie EEG podczas przezczaszkowej stymulacji prądem stałym
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.