Artykuł metodologiczny

Wpływ przezczaszkowej stymulacji prądem przemiennym na pierwotną korę ruchową metodą online z przezczaszkową stymulacją magnetyczną

DOI:

10.3791/55839

⸱

23 września 2017

 ,  , 
1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) pozwala na modulację pobudliwości kory mózgowej w sposób specyficzny dla częstotliwości. Tutaj pokazujemy unikalne podejście, które łączy tACS online z jednopulsową przezczaszkową stymulacją magnetyczną (TMS) w celu "zbadania" pobudliwości kory mózgowej za pomocą motorycznych potencjałów wywołanych.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przezczaszkowa stymulacja prądem zmiennym (tACS) jest techniką neuromodulacyjną, która może działać poprzez sinusoidalne fale elektryczne o określonej częstotliwości i z kolei modulować trwającą aktywność oscylacyjną kory mózgowej. To neuronarzędzie pozwala na ustalenie związku przyczynowego między endogenną aktywnością oscylacyjną a zachowaniem. Większość badań przeprowadzonych przez tACS wykazała wpływ tACS na działanie on-line. Jednak niewiele wiadomo na temat mechanizmów działania leżących u podstaw tej techniki ze względu na artefakty wywołane prądem przemiennym na sygnałach elektroencefalografii (EEG). Tutaj pokazujemy unikalne podejście do badania fizjologicznych specyficznych dla częstotliwości efektów tACS pierwotnej kory ruchowej (M1) za pomocą jednoimpulsowej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) do badania zmian pobudliwości kory mózgowej. W naszej konfiguracji cewka TMS jest umieszczana nad elektrodą tACS, podczas gdy potencjały wywołane silnika (MEP) są zbierane w celu przetestowania efektów trwającego M1-tACS. Do tej pory podejście to było wykorzystywane głównie do badania układu wzrokowego i motorycznego. Jednak obecna konfiguracja tACS-TMS może utorować drogę do przyszłych badań funkcji poznawczych. Dlatego udostępniamy instrukcję krok po kroku i wskazówki wideo dotyczące procedury.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przezczaszkowa stymulacja elektryczna (tES) to technika neuromodulacyjna, która pozwala na modyfikację stanów neuronalnych za pomocą różnych przebiegów prądu1. Wśród różnych typów tES, przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) umożliwia dostarczanie sinusoidalnych zewnętrznych potencjałów oscylacyjnych w określonym zakresie częstotliwości oraz modulację fizjologicznej aktywności neuronalnej leżącej u podstaw procesów percepcyjnych, motorycznych i poznawczych2. Za pomocą tACS możliwe jest zbadanie potencjalnych związków przyczynowych między endogenną aktywnością oscylacyjną a procesami zachodzącymi w mózgu.

In vivo wykazano, że gwałtowna aktywność neuronalna jest synchronizowana z różnymi częstotliwościami sterującymi, co sugeruje, że odpalanie neuronów może być kontrolowane przez pola przyłożone elektrycznie3. W modelach zwierzęcych słaby sinusoidalny tACS pociąga za sobą częstotliwość rozładowania rozległej puli neuronów korowych4. U ludzi tACS w połączeniu z elektroencefalografią online (EEG) umożliwia indukcję tzw. efektu "porywania" na endogenną aktywność oscylacyjną poprzez interakcję z oscylacjami mózgu w sposób specyficzny dla częstotliwości5. Jednak połączenie tACS z metodami neuroobrazowania w celu lepszego zrozumienia mechanizmów online jest nadal wątpliwe ze względu na artefakty wywołane przez AC6. Ponadto nie jest możliwe bezpośrednie zarejestrowanie sygnału EEG nad stymulowanym obszarem docelowym bez użycia elektrody pierścieniowej, co jest wątpliwym rozwiązaniem7. Tym samym brakuje systematycznych badań na ten temat.

Jak dotąd, nie ma jednoznacznych dowodów na trwałe efekty tACS po ustaniu stymulacji. Tylko kilka badań wykazało słabe i niejasne następstwa tACS na układ ruchowy8. Co więcej, dane EEG nadal nie są jasne co do następstw tACS9. Z drugiej strony, większość badań tACS wykazała wyraźne efekty online10,11,12,13,14,15,16,17,18, które są trudne do zmierzenia na poziomie fizjologicznym ze względu na ograniczenia techniczne. W związku z tym ogólnym celem naszej metody jest zapewnienie alternatywnego podejścia do testowania online i zależnego od częstotliwości wpływu tACS na korę ruchową (M1) poprzez dostarczanie jednoimpulsowej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS). TMS pozwala naukowcom "sondować" fizjologiczny stan ludzkiej kory ruchowej19. Co więcej, rejestrując Motoryczne Potencjały Wywołane (MEP) na przeciwległej ręce badanego, możemy zbadać efekty trwającego tACS11. Takie podejście pozwala nam dokładnie monitorować zmiany w pobudliwości korowo-rdzeniowej poprzez pomiar amplitudy MEP podczas stymulacji elektrycznej online dostarczanej na różnych częstotliwościach w sposób wolny od artefaktów. Ponadto podejście to może również testować online efekty dowolnego innego kształtu fali tES.

Aby zademonstrować połączone efekty tACS-TMS, pokażemy protokół, stosując stymulację prądem przemiennym 20 Hz na główną korę ruchową (M1), podczas gdy TMS z pojedynczym impulsem nawigowanym przez neurony online jest dostarczany w losowych odstępach czasu od 3 do 5 s w celu przetestowania pobudliwości kory M1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez lokalną komisję etyki badań Wyższej Szkoły Ekonomicznej (HSE) w Moskwie, za zgodą wszystkich uczestników.

UWAGA: Uczestnicy nie mogą zgłaszać historii wszczepionych metalowych urządzeń, chorób neurologicznych lub psychiatrycznych, nadużywania narkotyków lub alkoholizmu. TMS jest używany zgodnie z najnowszymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa20. Uczestnicy muszą być w pełni poinformowani o charakterze badania i podpisać formularz świadomej zgody przed rozpoczęciem eksperymentu. Pokazujemy cały zestaw sprzętu potrzebnego do uruchomienia połączonego online protokołu tACS-TMS poprzez stymulację dominującego M1 ( Rysunek 1; Tabela materiałów).

1. Umieść elektrody elektromiograficzne (EMG) w dwubiegunowym montażu ścięgna brzucha

  1. Oczyść skórę za pomocą peelingu czyszczącego pod wszystkimi elektrodami, aby uzyskać niską impedancję skóry (poniżej 10 kOhm).
  2. Umieść aktywną elektrodę EMG na pierwszym grzbietowym mięśniu międzykostnym (FDI), elektrodę odniesienia na kości 2 cm dystalnie, a elektrodę masową bardziej proksymalnie na ramieniu.

2. Identyfikacja celu dla protokołu stymulacji

UWAGA: Tutaj używamy bezramkowego systemu nawigacji TMS, aby osiągnąć prawidłowe ustawienie cewki TMS.

  1. Umieść czujniki śledzące nad glabellą między brwiami i nad nosem uczestnika.
  2. Otwórz oprogramowanie systemu nawigacyjnego. Wykorzystaj dane strukturalne rezonansu magnetycznego T1 (MRI) poszczególnych uczestników i dokonaj jednoczesnej rejestracji głowy uczestnika i głowicy rezonansu magnetycznego 3D za pośrednictwem systemu nawigacyjnego.
  3. Dokładnie umieść cewkę w obszarze dłoni silnika głównego, tak zwanym obszarze "pokrętła silnika" (Rysunek 2).
  4. Zacznij stosować jednoimpulsowy TMS i testuj MEP; TMS jest dostarczany przez stymulator (patrz tabela materiałów) podłączony do standardowej cewki o średnicy 75 mm w kształcie ósemki. Aby zlokalizować "gorący punkt" lewego M1, przytrzymaj cewkę styczną do skóry głowy, z uchwytem skierowanym do tyłu i na boki, pod kątem 45° od osi strzałkowej linii środkowej głowy uczestnika.
  5. Po znalezieniu punktu zapalnego (tj. punktu skóry głowy wywołującego MEP na progu z przeciwlegle badanych mięśni dłoni) należy go oznaczyć ołówkiem, aby ułatwić aplikację elektrody docelowej tACS.

3. Przygotowanie elektrod tACS

  1. Podłącz 2 nasączone solą fizjologiczną elektrody gąbkowe (rozmiar: 5 cm x 7 cm) do urządzenia stymulacyjnego, które może generować prąd przemienny (np. Brainstim).
  2. W celu zminimalizowania odczuć skórnych należy stale nasycać elektrody roztworem soli fizjologicznej, aby utrzymać impedancje poniżej 10 kOhm przez całą sesję stymulacji.

4. Konfiguracja protokołu tACS

  1. Aby skonfigurować protokół tACS za pomocą stymulatora, najpierw sprawdź stan baterii.
  2. Korzystając z oprogramowania, otwórz nową sesję i zarządzaj nowym protokołem stymulacji.
    1. Nazwij protokół (np. "Beta").
    2. Ustaw częstotliwość stymulacji (np. 20 Hz).
    3. Wybierz kształt fali (np. sinusoidalny).
    4. Ustaw całkowity czas trwania protokołu stymulacji (np. 600 s).
    5. Na koniec ustaw intensywność stymulacji (np. 1 mA), ustaw offset, fade in, fade out i fazę na "0".
      UWAGA: Można zasugerować trochę czasu na zanikanie i zanikanie stymulacji (około 30 s), aby uniknąć jakichkolwiek niekorzystnych lub nieprzyjemnych skutków neurosensorycznych dla pacjenta.
    6. Aktywuj funkcję "Bluetooth" urządzenia i wgraj protokół z oprogramowania do stymulatora.

5. Montaż elektrod tACS

  1. Umieść elektrodę "docelową" nad skórą głowy odpowiadającą zaznaczonemu punktowi. Umieść elektrodę "referencyjną" na ramieniu ipsilateralnym za pomocą specjalnej taśmy klejącej, w "montażu monopolarnym"21.
  2. Ostrożnie wyreguluj pierwszy elastyczny pasek na głowie w odniesieniu do pozycji czujników głowy neuronawigacji. Następnie, za pomocą drugiego paska, utrwal pozycję elektrody docelowej.
  3. Po umieszczeniu elektrod ACS zarówno na skórze głowy, jak i na ramieniu ipsilateralnym, podłącz je do stymulatora.
  4. Przed rozpoczęciem sesji stymulacji należy upewnić się podczas oględzin, że położenie elektrody docelowej jest wyśrodkowane nad zaznaczonym punktem krytycznym.

6. Identyfikacja progu motorycznego spoczynku (RMT)

  1. Umieść cewkę TMS nad docelową elektrodą tACS i ostrożnie wyreguluj położenie cewki nad hotspotem (Rysunek 3) za pomocą systemu neuronawigacji.
  2. Zmierz RMT zgodnie z połączoną konfiguracją tACS-TMS (tj. cewką TMS nad elektrodą). W szczególności dostosuj intensywność TMS w odniesieniu do grubości elektrody tACS, aby sprawdzić, czy RMT jest niezawodny.
    1. Mierz RMT indywidualnie, definiuje się go jako minimalną intensywność wymaganą do wywołania MEP w mięśniu FDI o amplitudzie 50 mV (od szczytu do szczytu) w 5 z 10 prób22.
  3. Ustaw intensywność stymulacji TMS na 110% RMT, aby rozpocząć sesję eksperymentalną.

7. Procedura eksperymentalna

  1. Otwórz oprogramowanie EMG i rozpocznij nagrywanie EMG.
  2. Rozpocznij stymulację tACS.
  3. Podczas stymulacji dostarczaj pojedyncze impulsy TMS przeplatane losowymi interwałami od 3 do 5 sekund.
  4. Upewnij się, że każda sesja stymulacji (np. stymulacja tACS 20 Hz, po której następuje pozorowana/inna częstotliwość kontrolna) trwa nie dłużej niż 90 sekund z przerwą między sesjami około 3 minut, aby uniknąć możliwego efektu przeniesienia poprzedniej częstotliwości/warunku stymulacji11,13.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pierwszy dowód na połączenie podejścia tACS/TMS Kanai et al. pokazali w 2010 roku. W tym badaniu autorzy zastosowali tACS na pierwszorzędową korę wzrokową (V1) i wykazali specyficzną dla częstotliwości modulację pobudliwości kory wzrokowej mierzoną za pomocą internetowej percepcji fosfenowej indukowanej przez TMS15. Bardziej udoskonalona wersja protokołu została przyjęta w celu zbadania fizjologicznej modulacji pobudliwości kory ruchowej przez Feurra i...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podejście to stanowi wyjątkową okazję do bezpośredniego przetestowania online wpływu tACS na pierwszorzędową korę ruchową poprzez pomiar pojemności korowo-rdzeniowej za pomocą rejestracji MEP. Jednak umieszczenie cewki TMS nad elektrodą tACS stanowi krytyczny krok, który powinien być dokładnie wykonany. Dlatego sugerowalibyśmy, aby eksperymentatorzy najpierw znaleźli punkt docelowy za pomocą pojedynczego impulsu TMS, a następnie oznaczyli go na skórze głowy, a dopiero potem umieścili elektrodę tACS nad gorącym punktem. C...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było wspierane przez grant Rosyjskiej Fundacji Naukowej (numer umowy: 17-11-01273). Specjalne podziękowania dla Andreya Afanasova i kolegów z Wielofunkcyjnego Centrum Innowacji Techniki Telewizyjnej (Narodowy Uniwersytet Badawczy, Wyższa Szkoła Ekonomiczna, Moskwa, Federacja Rosyjska) za nagrywanie i montaż wideo.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
BrainStim, stymulator przezczaszkowy o wysokiej rozdzielczościE.M.S., Bolonia, WłochyEMS-BRAINSTIM
Para o długości 1,5 m do podłączenia przewodzących elektrod silikonowychE.M.S., Bolonia, WłochyEMS-CVBS15
Elektrody silikonowe przewodzące wielokrotnego użytku 50x50mmE.M.S., Bolonia, WłochyFIA-PG970/2
Gąbka spontex wielokrotnego użytku do elektrody 50x100mmE.M.S., Bolonia, WłochyFIA-PG916S
Pasy gumowe – 75 cmE.M.S., Bolonia, WłochyFIA-ER-PG905/8
Plastikowy przycisk nieurazowyE.M.S., Bolonia, WłochyFIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Bolonia, Włochy
MagPro X100 MagOption - przezczaszkowy stymulator magnetycznyMagVenture, Farum, Dania9016E0731
Cewka 8-kształtna MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Dania9016E0462
Krzesło z podłokietnikiemMagVenture, Farum, Dania9016B0081
Localite TMS Navigator - Platforma nawigacyjna, edycja PremiumLocalite, GmbH, Niemcy21223
Localite TMS Navigator - oprogramowanie oparte na MR, import danych do morfologicznego rezonansu magnetycznego (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Niemcy10226
MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1Localite, GmbH, Niemcy5221
Druty elektrodowe do powierzchniowego EMG  EBNeuro, Włochy 6515
Elektrody powierzchniowe do EEG/EMG  EBNeuro, Włochy Wzmacniacz 6515
BrainAmp ExG - wzmacniacz bipolarny Brain Products, GmbH, Niemcy
  Rejestrator BrainVision 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Niemcy
Żel do przygotowania skóry Nuprep Weaver and Company, USA
Strzykawki
Taśma
Roztwór
klejąca NaCl

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
  2. Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum. Neurosci. 7, 279(2013).
  3. Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
  4. Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
  5. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  6. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
  7. Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527(2016).
  8. Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
  9. Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311(2015).
  10. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  11. Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
  12. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  13. Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
  14. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
  15. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  16. Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090(2015).
  17. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  18. Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
  19. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
  20. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  21. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54(2015).
  22. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  23. Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
  24. Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
  25. Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39(2012).
  26. Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
  28. Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
  29. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Motor Evoked PotentialsCortical ExcitabilityFrequency Specific EffectsTACS TMS ProtocolElectroencephalography ArtifactsSinusoidal Waveform Stimulation

Powiązane artykuły