Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym i jednoczesne funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

Summary

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) jest techniką nieinwazyjnej stymulacji mózgu. Z powodzeniem stosuje się go w badaniach podstawowych i warunkach klinicznych do modulowania funkcji mózgu u ludzi. W artykule opisano implementację tDCS i jednoczesnego funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) w celu zbadania neuronalnych podstaw efektów tDCS.

Abstract

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to nieinwazyjna technika stymulacji mózgu, która wykorzystuje słabe prądy elektryczne dostarczane do skóry głowy do manipulowania pobudliwością kory mózgowej, a w konsekwencji zachowaniem i funkcjonowaniem mózgu. W ciągu ostatniej dekady liczne badania dotyczyły krótko- i długoterminowego wpływu tDCS na różne miary sprawności behawioralnej podczas zadań motorycznych i poznawczych, zarówno u osób zdrowych, jak i w wielu różnych populacjach pacjentów. Jak dotąd jednak niewiele wiadomo na temat neuronalnych podstaw działania tDCS u ludzi w odniesieniu do wielkoskalowych sieci mózgowych. Problem ten można rozwiązać, łącząc tDCS z technikami funkcjonalnego obrazowania mózgu, takimi jak funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) lub elektroencefalografia (EEG).

W szczególności, fMRI jest najczęściej używaną techniką obrazowania mózgu do badania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw funkcji poznawczych i motorycznych. Zastosowanie tDCS podczas fMRI umożliwia analizę mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw behawioralnych efektów tDCS z wysoką rozdzielczością przestrzenną w całym mózgu. Ostatnie badania z wykorzystaniem tej techniki zidentyfikowały wywołane stymulacją zmiany w funkcjonalnej aktywności mózgu związanej z zadaniami w miejscu stymulacji, a także w bardziej odległych regionach mózgu, które były związane z poprawą zachowania. Ponadto tDCS podawany podczas fMRI w stanie spoczynku pozwolił na identyfikację rozległych zmian w połączeniach funkcjonalnych całego mózgu.

Przyszłe badania wykorzystujące ten połączony protokół powinny przynieść nowe informacje na temat mechanizmów działania tDCS w zdrowiu i chorobie oraz nowe możliwości bardziej ukierunkowanego zastosowania tDCS w warunkach badawczych i klinicznych. Niniejszy manuskrypt opisuje tę nowatorską technikę krok po kroku, koncentrując się na technicznych aspektach tDCS podawanych podczas fMRI.

Introduction

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to nieinwazyjna metoda stymulacji mózgu, w której funkcjonowanie kory mózgowej jest modulowane za pomocą słabego prądu elektrycznego (zwykle 1-2 mA) emitowanego między dwiema elektrodami przymocowanymi do skóry głowy. Fizjologicznie tDCS indukuje zależne od polaryzacji przesunięcie neuronalnego potencjału błony spoczynkowej (RMP) w docelowym regionie kory mózgowej poprzez manipulację kanałami sodowymi i wapniowymi, sprzyjając w ten sposób zmianom w pobudliwości kory mózgowej¹. W szczególności wykazano, że stymulacja anodowa (atDCS) zwiększa aktywność kory mózgowej poprzez depolaryzację neuronalnego RMP, podczas gdy stymulacja katodowa (ctDCS) zmniejsza pobudliwość kory^{mózgowej 2}. W porównaniu z innymi rodzajami stymulacji mózgu (np. przezczaszkową stymulacją magnetyczną) bezpieczeństwo jest dobrze znane i do tej pory nie zgłoszono żadnych poważnych skutków ubocznych, nawet w populacjach wrażliwych ^3,4. Ponadto, przynajmniej w przypadku niższych intensywności stymulacji (do 1 mA), istnieje skuteczny warunek stymulacji placebo ("pozorowany")⁵, co pozwala na skuteczne zaślepienie uczestników i badaczy na warunki stymulacji, co czyni tDCS atrakcyjnym narzędziem w warunkach badań eksperymentalnych i klinicznych.

Liczne badania do tej pory wykazały, że te zmiany w pobudliwości kory mózgowej mogą powodować modulacje behawioralne. W układzie silnikowym stwierdzono stałe efekty zależne od polaryzacji ^1,6 zarówno dla atDCS, jak i ctDCS. W badaniach kognitywnych większość badań, w których stosowano atDCS w celu poprawy funkcji poznawczych, wykazywała korzystny wpływ na wydajność⁷, podczas gdy ctDCS często nie powodował upośledzenia przetwarzania poznawczego. To ostatnie można wytłumaczyć większą redundancją zasobów przetwarzania neuronalnego leżących u podstaw^poznania6. W większości badań tDCS zastosowano projekty krzyżowe w celu zbadania natychmiastowych skutków stymulacji, które trwają dłużej niż zakończenie prądu tylko przez krótkie okresy czasu¹. Sugeruje się jednak, że powtarzająca się stymulacja wpływa na syntezę białek, tj. mechanizm neuronalny leżący u podstaw nabywania umiejętności⁸. Rzeczywiście, sukces treningu motorycznego lub poznawczego może być zwiększony w połączeniu z powtarzającymi się sesjami tDCS, a długoterminowa stabilność tych ulepszeń utrzymuje się do kilku miesięcy u zdrowych osób dorosłych^{w wieku 8-10} lat. Takie odkrycia wzbudziły również zainteresowanie zastosowaniem tDCS w kontekstach klinicznych, a wstępne dane sugerują, że może on być również przydatny jako podstawowe lub uzupełniające podejście do leczenia w różnych populacjach klinicznych³. Jednakże, podczas gdy stosunkowo duża liczba badań dotyczyła neurofizjologicznych skutków tDCS w układzie ruchowym, niewiele wiadomo na temat mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw wpływu tDCS na funkcje poznawcze mózgu w zdrowiu i chorobie. Lepsze zrozumienie sposobu działania tDCS jest niezbędnym warunkiem wstępnym dla bardziej ukierunkowanych zastosowań tDCS w warunkach badawczych i klinicznych.

Ten problem można rozwiązać, łącząc tDCS z technikami funkcjonalnego obrazowania mózgu, takimi jak elektroencefalografia (EEG) lub funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). Większość badań dotyczących mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw funkcji poznawczych i motorycznych zdecydowała się na zastosowanie fMRI¹¹. W szczególności fMRI jest najczęściej stosowaną techniką obrazowania mózgu do badania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw funkcji poznawczych i motorycznych¹¹. Co więcej, w połączeniu z równoczesnym stosowaniem tDCS, fMRI umożliwia badanie mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw behawioralnych efektów tDCS z wyższą rozdzielczością przestrzenną w całym mózgu w porównaniu z EEG (ostatnie opisy połączonych tDCS-EEG można znaleźć w Schestatsky i wsp.¹²). Niniejszy manuskrypt opisuje łączne zastosowanie tDCS podczas jednoczesnego fMRI. Ta nowatorska technika została z powodzeniem wykorzystana do badania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw indukowanych przez tDCS modulacji funkcji motorycznych i poznawczych^13-19. W przyszłości ten połączony protokół dostarczy nowych informacji na temat mechanizmów działania tDCS w zdrowiu i chorobie. Zrozumienie wpływu tDCS na wielkoskalowe sieci neuronowe, oceniane za pomocą tej techniki, może położyć podwaliny pod bardziej ukierunkowane zastosowanie tDCS w warunkach badawczych i klinicznych.

Rękopis skupi się na różnicach między behawioralnymi eksperymentami tDCS a łącznym użyciem tDCS podczas jednoczesnego fMRI, ze szczególnym naciskiem na wymagania sprzętowe, implementację techniki i względy bezpieczeństwa. Jako przykład opisana zostanie pojedyncza sesja tDCS podana do lewego dolnego zakrętu czołowego (IFG) podczas fMRI w stanie spoczynku bez zadania (RS) oraz podczas zadania językowego^14,15, chociaż możliwych jest wiele innych zastosowań^16,19. Szczegóły projektu eksperymentu, charakterystyki uczestników i procedur analizy danych fMRI zostały szczegółowo opisane w oryginalnych publikacjach^14,15 i wykraczają poza zakres niniejszego manuskryptu. Ponadto w tych badaniach uzyskano dodatkowy skan fMRI, który obejmował pozorowany tDCS i porównano go z wynikami sesji atDCS (szczegóły w sekcji "Reprezentatywne wyniki"). Sesja ta była identyczna z tą opisaną w niniejszym manuskrypcie, z wyjątkiem tego, że stymulacja została przerwana przed rozpoczęciem sesji skanowania (szczegóły na rysunku 1). Niniejsza procedura została z powodzeniem wdrożona w skanerze MRI Siemens Trio o mocy 3 Tesli w Berlińskim Centrum Zaawansowanego Obrazowania (Charité University Medicine, Berlin, Niemcy) i zasadniczo powinna mieć zastosowanie również do innych skanerów¹³.

Protocol

1. Przeciwwskazania i specjalne względy

1. Dokładnie przebadaj uczestników pod kątem przeciwwskazań do rezonansu magnetycznego (np. rozruszniki serca, klaustrofobia itp.) i wyklucz w razie potrzeby. Zdobądź standardowe kwestionariusze w instytucjach klinicznych lub badawczych, które obsługują skanery MRI. Zawsze przestrzegaj standardowych procedur bezpieczeństwa przy wchodzeniu do pomieszczenia skanera.
2. Dokładnie przebadaj uczestników pod kątem przeciwwskazań do tDCS. Mogą one pokrywać się z przeciwwskazaniami do wykonania rezonansu magnetycznego. Patrz Villamar et al.^{Na przykład 20}.
3. Skonsultuj się z zakładem operacyjnym w sprawie lokalnych przepisów bezpieczeństwa i etyki oraz uzyskaj niezbędne pozwolenia. Zbadać potencjalne artefakty obrazowania wywołane prądem stymulującym lub sprzętem tDCS przed rozpoczęciem właściwego eksperymentu (np. poprzez badanie wpływu tDCS na stosunek sygnału do szumu^17,18).

2. Konfiguracja fMRI, projekt eksperymentalny i materiały

Uwaga: Użycie tDCS wewnątrz skanera MRI wymaga specjalnego sprzętu. W szczególności wymagane są specjalne kompatybilne z rezonansem magnetycznym, skrzynki filtrujące, elektrody i paski do mocowania elektrod do głowy badanych. Rysunek 2 przedstawia (A) standardowe urządzenia tDCS oraz (B) komponenty do użytku z MRI. Te ostatnie składniki są niezbędne, aby zapobiec możliwości nagrzewania się pod elektrodami z powodu impulsów o częstotliwości radiowej emitowanych podczas rezonansu magnetycznego. Ponadto artefakty obrazowania o wysokiej częstotliwości mogą być indukowane przez urządzenie tDCS. Obu tym zjawiskom można zapobiec, stosując skrzynki filtrujące umieszczone na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia skanera, wyposażone w rezystory oraz dedykowane elektrody z gumy przewodzącej kompatybilne z rezonansem magnetycznym.

1. Wykonaj ogólne ustawienia i sekwencje eksperymentalne dla eksperymentu fMRI. Oba zależą od celów badania. Uwaga: poniższy protokół jest specyficzny dla tego eksperymentu, ale może zostać zmieniony w celu zastosowania do wielu różnych sytuacji eksperymentalnych.
2. Użyj komputera stacjonarnego z zainstalowanym oprogramowaniem do prezentacji bodźców do zadania językowego, które obejmuje wizualną prezentację kategorii semantycznych wewnątrz skanera. Przedstaw te bodźce na ekranie wewnątrz skanera za pomocą projektora podłączonego do komputera i systemu luster.
3. Użyj mikrofonu kompatybilnego z rezonansem magnetycznym do transmisji jawnych odpowiedzi werbalnych. Zdobądź dwie sekwencje funkcjonalne podczas tDCS: pięciominutową sekwencję RS bez zadania i jawne zadanie generowania słów semantycznych. Uwaga: dodatkowe szczegóły dotyczące konfiguracji eksperymentalnej, sekwencji fMRI i bodźców zostały wcześniej szczegółowo opisane w^14,15, a rysunek 1 ilustruje eksperyment.
4. Aby skonfigurować urządzenie tDCS, zaprogramuj je tak, aby dostarczało stały prąd stały o natężeniu 1 mA przez 20 minut, aby pokryć cały czas trwania dwóch skanów funkcjonalnych, w tym krótkie przerwy i czas na instrukcje między skanami^14,15. Upewnij się, że stymulator jest wystarczająco naładowany; w przeciwnym razie może się wyłączyć podczas eksperymentu.
5. Upewnij się, że wszystkie niezbędne materiały są dostępne (Rysunek 2).

3. Konfiguracja tDCS na zewnątrz i wewnątrz skanera (zobacz Rysunek 3 dla przeglądu schematu)

1. Umieść zewnętrzną skrzynkę filtra w pobliżu rurki filtra częstotliwości radiowej (RF) (tj. punktu penetracji w osłonie częstotliwości radiowej skanera MRI, którego można użyć do wprowadzenia z zewnątrz skanera). Połącz stymulator z zewnętrznym pudełkiem za pomocą stymulatora. Nie wolno mieszać wewnętrznej i zewnętrznej skrzynki filtra. Uwaga: Rysunek 4A ilustruje konfigurację tDCS poza skanerem. Pudełko zewnętrzne jest wyraźnie oznaczone na rysunku 4B.
2. Zmierz długość wymaganą do połączenia puszki wewnętrznej z zewnętrzną za pomocą skrzynkowego (patrz następny punkt dotyczący ułożenia w pomieszczeniu skanera). Włóż skrzynki do rurki RF od zewnątrz skanera i połącz z zewnętrzną skrzynką filtra (Rysunek 4A).
3. Umieść wewnętrzne pudełko filtra w tylnym końcu otworu skanera (Rysunek 5); użyj taśmy klejącej, aby utrzymać je na miejscu. Podłącz skrzynki z wewnętrzną skrzynką filtra i unikaj pętli w jakichkolwiek, ponieważ mogą one powodować nagrzewanie się RF. Uwaga: powinien być wyrównany ze ścianami pomieszczenia skanera i przymocowany taśmą samoprzylepną (Rysunek 3).

4. Przygotowanie uczestnika i umiejscowienie uczestnika w skanerze

1. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych ustawień tDCS, sprawdź skórę uczestnika pod kątem istniejących wcześniej zmian, odsuń włosy, oczyść skórę alkoholem, aby usunąć lakier do włosów, balsam do ciała itp., aby poprawić przewodnictwo skóry pod elektrodami^12,21.
2. Namocz kieszenie z gąbki roztworem soli fizjologicznej i włóż do kieszeni elektrody kompatybilne z MRI (patrz DaSilva²¹ w celu zapoznania się z ogólnymi rozważaniami dotyczącymi przygotowania uczestnika i pozycjonowania elektrod).
3. Zaznacz pozycje elektrod na głowach osób za pomocą pisaka, który nie pozostawia śladów ferromagnetycznych (np. nie używaj eyelinera). Określić pozycję docelową dla anody za pomocą systemu 10-20 EEG (tutaj: lewy IFG, 5 x 7 cm²)^14,15. Aby to zrobić, zlokalizuj (a) punkt przecięcia T3-F3 i F7-C3 oraz (b) punkt środkowy między F7-F3. Położenie docelowe znajduje się w środku linii łączącej punkty (a) i (b). Umieść katodę (10 x 10 cm²) nad prawą pozycją nadoczodołową (szczegółowe informacje na temat umieszczenia elektrod patrz Meinzer i wsp.^14,15). Przymocuj elektrody do głowy za pomocą gumki.
4. Poprowadź uczestnika za skanerem i połącz elektrody z wewnętrzną skrzynką filtra. Włącz stymulator i przetestuj impedancję, naciskając jednocześnie prawy górny i lewy dolny przycisk stymulatora. Jeśli limity impedancji zostaną osiągnięte, stymulator zatrzyma się automatycznie. W takim przypadku sprawdź, czy elektrody mają kontakt ze skórą głowy, ponownie oczyść skórę lub nałóż więcej roztworu soli fizjologicznej, jeśli gąbki stały się zbyt suche, a następnie sprawdź, czy któryś z nie jest uszkodzony. Uwaga: Impedancja jest zazwyczaj wyższa w porównaniu z konwencjonalnymi konfiguracjami ze względu na dodatkowe i skrzynki filtrujące między stymulatorem a elektrodami.
5. Wprowadź uczestnika do pomieszczenia skanera (po końcowej kontroli bezpieczeństwa). Ustaw uczestnika na suwnicy skanera i upewnij się, że elektrody są nadal we właściwej pozycji. Zamknij cewkę głowicy. Przewód elektrody powinien być przeprowadzony przez lewą dolną część cewki głowicy (patrz rysunek 6) lub zgodnie z zaleceniami producenta.
6. Przenieś uczestnika do otworu skanera. Upewnij się, że nie zaczepi się o suwnicę i nie pęknie (patrz Rysunek 6, aby zapoznać się z możliwym bezpiecznym położeniem podczas tego stage). Gdy uczestnik osiągnie ostateczną pozycję wewnątrz skanera, sięgnij po elektrody z tylnego końca skanera i podłącz go do wewnętrznej skrzynki filtra. Przekaż przycisk alarmowy uczestnikowi i opuść pomieszczenie skanera.

5. Rozpoczęcie stymulacji

1. Użyj interkomu skanera, aby poinformować uczestnika o rozpoczęciu sesji skanowania. Rozpocznij skanowanie lokalizatora strukturalnego (w celu określenia pozycji głowy uczestnika w skanerze i umożliwienia zaplanowania kolejnych skanów funkcjonalnych i strukturalnych) za pomocą konsoli skanowania. Sprawdź skanowanie lokalizatora pod kątem artefaktów o wysokiej częstotliwości: Kliknij dwukrotnie skanowanie lokalizatora po zakończeniu okresu akwizycji i dostosuj kontrast (w przypadku Siemens Trio, przytrzymując prawy przycisk myszy i przesuwając mysz w lewo i w prawo; przykłady patrz rysunki 7A i 7B).
2. Użyj interkomu skanera, aby zakomunikować badanemu, że rozpocznie się stymulacja i że może on odczuwać mrowienie na skórze głowy przez krótki czas. Powtórz instrukcje dla pierwszego skanowania funkcjonalnego. W tym przykładzie poinstruuj uczestnika, aby przez cały czas trwania skanowania (5 minut) miał zamknięte oczy, poruszał się jak najmniej i nie myślał o niczym szczególnym. Upewnij się, że projektor jest wyłączony (ekran wewnątrz otworu skanera jest), aby uniknąć stymulacji wizualnej podczas skanowania RS.
3. Rozpocznij stymulację ręcznie około 1-2 minuty przed rozpoczęciem pierwszego skanowania funkcjonalnego (RS-scan). Użyj konsoli skanera, aby załadować sekwencję RS. Kliknij dwukrotnie sekwencję RS, aby otworzyć pole widzenia (FOV), dostosuj pozycję, aby pokryć cały mózg i wyrównaj w przybliżeniu ze spoidłem przednio-tylnym. Rozpocznij pierwsze skanowanie (za pomocą przycisku ROZPOCZNIJ skanowanie).
4. Monitoruj impedancję przez cały czas trwania eksperymentu. Uwaga: Jeśli eksperyment jest przeprowadzany w trybie podwójnie ślepej próby (uczestnik i badacz są ślepi na stymulację), może być konieczne zaangażowanie drugiego badacza w celu monitorowania impedancji.
5. Podczas działania sekwencji RS załaduj drugą funkcjonalną sekwencję obrazowania (dla kolejnego zadania językowego) i dostosuj pole widzenia, korzystając z konsoli skanera, jak powyżej, aby skrócić czas wymagany między skanowaniami. Po zakończeniu sekwencji RS włącz projektor, aby umożliwić wizualne wyświetlanie bodźców eksperymentalnych podczas zadania językowego. Kliknij dwukrotnie ikonę oprogramowania do prezentacji i załaduj paradygmat językowy. Użyj interkomu skanera, aby powtórzyć instrukcje dla paradygmatu fMRI związanego z zadaniem i rozpocznij zadanie^14,15.
6. Po zakończeniu eksperymentu stymulacji/fMRI kontynuuj zaplanowane skany strukturalne. Nie odłączaj elektrod do końca sesji skanowania.
7. Pod koniec eksperymentu odłącz elektrody od wewnętrznej skrzynki filtra przed wyjęciem uczestnika z otworu skanera. Wyjmij uczestnika ze skanera, odłącz cewkę głowicy i poproś uczestnika, aby usiadł i ostrożnie wyjął elektrody.

Results

Funkcjonalny rezonans magnetyczny jest najczęściej używaną techniką obrazowania funkcjonalnego do badania mechanizmów leżących u podstaw funkcji motorycznych lub poznawczych. Ostatnio fMRI został również wykorzystany do oceny wpływu tDCS na aktywność kory mózgowej i łączność. Jednak w większości tych badań podawano tDCS poza skanerem i oceniano efekty stymulacji offline (tj. podawano tDCS przed skanowaniem^22,23). Tylko w kilku dotychczasowych badaniach podawano tDCS podczas jedno...

Discussion

Połączone zastosowanie tDCS z jednoczesnym fMRI wykazało potencjał do wyjaśnienia neuronalnych podstaw natychmiastowych skutków stymulacji w całym mózgu z wysoką rozdzielczością przestrzenną^13-19. W przyszłości takie badania mogą zostać uzupełnione o połączone badania EEG-tDCS, aby wykorzystać lepszą rozdzielczość czasową tej ostatniej techniki. Ponadto stymulacja wewnątrzskanerowa umożliwia weryfikację prawidłowego ułożenia elektrod na skórze głowy (np. za pomocą obrazów T-ważonych, patrz rys...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Niemcy	21
Rozszerzenie sprzętowe DC-Stimulator MR (2 gumowe elektrody kompatybilne z MRI, elektrody i skrzynki oraz wewnętrzna skrzynka filtra; zewnętrzna skrzynka filtra i stymulatora)	NeuroConn, Illmenau, Niemcy
2 Podkładki gąbkowe do elektrod gumowych (7 cm x 5 cm i 10 cm x 10 cm)	NeuroConn, Illmenau, Niemcy
Gumowa opaska
na głowę Roztwór
Taśma			Do określania pozycji elektrody za pomocą systemu EEG 10-20
Pióro			Używane podczas pozycjonowania elektrody