Method Article

Jednoczesna przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym i funkcjonalny rezonans magnetyczny

DOI:

10.3791/55866

⸱

June 5th, 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cognitive Neurology, University Medicine Goettingen, 2Department of Neurology, University Medicine Goettingen, 3German Primate Center, Leibniz Institute for Primate Research, 4DFG Center for Nanoscale Microscopy & Molecular Physiology of the Brain (CNMPB)

In This Article

Summary

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

Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) jest obiecującym narzędziem do nieinwazyjnego badania oscylacji mózgu, chociaż jej efekty nie są w pełni zrozumiałe. W tym artykule opisano bezpieczną i niezawodną konfigurację do jednoczesnego stosowania tACS z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym, która może zwiększyć zrozumienie oscylacyjnej funkcji mózgu i skutków tACS.

Abstract

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

Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) jest obiecującym narzędziem do nieinwazyjnego badania oscylacji mózgu. TACS wykorzystuje stymulację ludzkiego mózgu specyficzną dla częstotliwości za pomocą prądu przyłożonego do skóry głowy za pomocą elektrod powierzchniowych. Większość obecnej wiedzy na temat tej techniki opiera się na badaniach behawioralnych; w związku z tym połączenie tej metody z obrazowaniem mózgu ma potencjał do lepszego zrozumienia mechanizmów tACS. Ze względu na artefakty elektryczne i podatność, połączenie tACS z obrazowaniem mózgu może być trudne, jednak jedną z technik obrazowania mózgu, która dobrze nadaje się do jednoczesnego stosowania z tACS, jest funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). W naszym laboratorium udało nam się połączyć tACS z jednoczesnymi pomiarami fMRI, aby pokazać, że efekty tACS są zależne od stanu, prądu i częstotliwości, a modulacja aktywności mózgu nie jest ograniczona do obszaru bezpośrednio pod elektrodami. W tym artykule opisano bezpieczną i niezawodną konfigurację do stosowania tACS jednocześnie z badaniami fMRI przy zadaniach wzrokowych, które mogą pomóc w zrozumieniu oscylacyjnej funkcji mózgu, a także wpływu tACS na mózg.

Introduction

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

Przezczaszkowa stymulacja prądem zmiennym (tACS) to nieinwazyjna technika stymulacji mózgu, która daje nadzieję na badanie oscylacji neuronalnych i funkcji mózgu specyficznych dla częstotliwości u zdrowych osób, a także do badania i modulowania oscylacji w populacjach klinicznych1. Za pomocą dwóch lub więcej elektrod przewodzących umieszczonych na skórze głowy, niskoprądowe (1-2 mA od szczytu do szczytu) fale sinusoidalne są przykładane do mózgu z pożądaną częstotliwością, aby wchodzić w interakcje z trwającymi oscylacjami neuronalnymi. W badaniach TACS zmierzono modulacje behawioralne lub poznawcze specyficzne dla częstotliwości i zadań, w tym między innymi funkcje motoryczne2, wydajność pamięci roboczej3, somatosensation4 i percepcja wzrokowa5,6,7. Stosowanie prądu przemiennego w sposób nieinwazyjny spowodowało również poprawę funkcjonalną u pacjentów neurologicznych, taką jak zmniejszenie drżenia w chorobie Parkinsona8, poprawa widzenia w neuropatii optycznej9 oraz poprawa szybkości regeneracji mowy, czucia i motoryki po udarze10. Pomimo coraz większej liczby badań z wykorzystaniem tACS do badań i dowodów na jego potencjał terapeutyczny w warunkach klinicznych, efekty tej techniki nie są w pełni scharakteryzowane, a jej mechanizmy nie są do końca poznane.

Symulacje i badania na zwierzętach mogą dostarczyć wglądu w efekty stymulacji prądem zmiennym na poziomie sieci komórkowej lub neuronowej w kontrolowanych warunkach11,12, ale biorąc pod uwagę zależność od stanu skutecznych technik stymulacji13,14, takie badania nie ujawniają pełnego obrazu. Połączenie tACS z technikami neuroobrazowania, takimi jak elektroencefalografia (EEG)15,16,17, magnetoencefalografia (MEG)18,19,20, lub funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI)21,22,23,24 może informować o modulacji funkcji mózgu na poziomie systemu. Jednak każda kombinacja wiąże się z wyzwaniami technologicznymi, głównie ze względu na artefakty wywołane stymulacją w pomiarze interesujących częstotliwości15. Chociaż rozdzielczość czasowa fMRI nie może odpowiadać pomiarom EEG lub MEG, jego pokrycie przestrzenne i rozdzielczość w korowych i podkorowych obszarach mózgu jest lepsza.

Niedawno, w połączonym badaniu tACS-fMRI, wykazaliśmy, że wpływ tACS na sygnał zależny od poziomu natlenienia krwi (BOLD) mierzony za pomocą fMRI jest zarówno specyficzny dla częstotliwości, jak i zadania, oraz że stymulacja niekoniecznie wywiera największy wpływ bezpośrednio pod elektrodami, ale w obszarach bardziej odległych od elektrod22. W kolejnym badaniu zbadaliśmy wpływ położenia i częstotliwości elektrody tACS na funkcję sieci przy użyciu amplitudy fluktuacji niskiej częstotliwości i funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku, w tym przy użyciu nasion korelacji najbardziej bezpośrednio stymulowanych regionów, zgodnie z symulacjami gęstości prądu opartymi na badaniu. W szczególności w tym badaniu, stymulacja alfa (10 Hz) i gamma (40 Hz) często wywoływała przeciwstawne efekty w łączności sieciowej lub modulacji regionalnej23. Dodatkowo, najbardziej dotkniętą siecią w stanie spoczynku była lewa sieć kontrolna czołowo-ciemieniowa. Badania te podkreślają potencjał wykorzystania fMRI do określenia optymalnych parametrów skutecznej, kontrolowanej stymulacji. Dostarczają również dowodów na to, że oprócz kontrolowanych parametrów, takich jak warunki i czas wykonania zadania, częstotliwość stymulacji i pozycje elektrod, istnieją czynniki specyficzne dla danego tematu, które wpływają na powodzenie tACS. Przykładami cech podmiotu, które przekładają się na niekontrolowane zmienne w optymalizacji parametrów stymulacji, są wewnętrzna łączność funkcjonalna, endogenna częstotliwość szczytowa oscylacji (np. indywidualna częstotliwość alfa) oraz grubość czaszki i skóry25. Biorąc pod uwagę obecną literaturę dotyczącą tACS, potrzeba więcej badań łączących tACS z pomiarami neuronalnymi, takimi jak neuroobrazowanie, w celu ustalenia kompleksowych procedur skutecznych technik stymulacji mózgu.

Tutaj opisujemy bezpieczną i niezawodną konfigurację do eksperymentów z zastosowaniem tACS jednocześnie z fMRI zadania wizualnego, skupiając się na aspektach konfiguracji i wykonania, które dają pomyślnie zsynchronizowany tACS z akwizycją danych fMRI bez artefaktów.

Protocol

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

Przeprowadzaj wszystkie eksperymenty zgodnie z wytycznymi instytucjonalnej komisji etyki. W przypadku wszystkich badań wymienionych w tym manuskrypcie wszystkie procedury zostały przeprowadzone zgodnie z deklaracją helsińską i zatwierdzone przez lokalną Komisję Etyczną Uniwersyteckiego Centrum Medycznego w Getyndze.

1. Stymulacja i konfiguracja komputera przed eksperymentem

  1. Konfiguracja stymulatora
    UWAGA: Stymulator użyty w tym eksperymencie fMRI to specjalnie zaprojektowany system kompatybilny z rezonansem magnetycznym (MR), wyposażony w wewnętrzną skrzynkę filtracyjną MR-safe, zewnętrzną skrzynkę filtra, rezystory bezpieczeństwa, sprzężone i materiały bezpieczne dla MR. Niektóre instrukcje odnoszą się konkretnie do wskazówek producenta i mogą się one różnić w przypadku korzystania z innego stymulatora, dlatego należy postępować zgodnie z instrukcjami sprzętu dostarczonymi przez producenta, które mogą stanowić wyjątki od tej konfiguracji. Rysunek 1A pokazuje komponenty stymulatora użyte w tym eksperymentalnym układzie.
    1. Poruszaj się po menu stymulatora, aby zaprogramować żądane parametry eksperymentalne (szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji obsługi). Na przykład, dla częstotliwości stymulacji 10 Hz, zaprogramuj 10 cykli dla czasu narastania/zmniejszania wynoszącego 1 s, 300 cykli sinusoidalnych dla 30 s stymulacji, natężenia prądu równego 1,000 μA i powtarzalnego trybu wyzwalania, jak przeprowadzono dla naszych eksperymentów, chyba że zaznaczono inaczej. Zapisz program do załadowania za każdym razem, gdy eksperyment jest uruchamiany po jego uruchomieniu.
    2. Podłącz wyjście wyzwalacza komputera prezentacji bodźców do stymulatora za pomocą BNC.
    3. Umieść niemagnetyczny, ekranowany sieci lokalnej (LAN) przez rurkę falowodu o częstotliwości radiowej (RF) od wnętrza pomieszczenia skanera. Aby uniknąć rezonansowego sprzężenia pojemnościowego, upewnij się, że jest wolny od pętli i umieszczony wzdłuż ściany pomieszczenia, prowadząc do tyłu otworu magnesu i wzdłuż prawej poręczy łoża skanera wewnątrz otworu, prowadząc do położenia wewnętrznej skrzynki filtra (patrz Rysunek 1C i uwaga bezpieczeństwa w kroku 2.4 dotycząca położenia). Zabezpiecz taśmą umieszczoną z przerwami wzdłuż jego długości.
  2. Załaduj program bodźców wizualnych na wyznaczony komputer prezentacyjny, który jest oddzielony od komputera sterującego skanerem. Jak pokazano w Rysunek 1C, podłącz komputer prezentacyjny do wyjścia wyzwalacza skanera za pomocą konwertera optyczno-elektrycznego i do urządzenia wyjściowego (np. projektora), które jest umieszczone w ekranowanej obudowie lub na zewnątrz pomieszczenia z magnesami. Użyj luster niemagnetycznych, aby skierować projekcję na ekran wewnątrz otworu skanera.

2. Przyjazd i przygotowanie podmiotu

  1. Wstępna selekcja zrekrutowanych osób pod kątem wszelkich przeciwwskazań do badania MR (np. brak metalowych implantów, brak klaustrofobii, wymagania wstępne specyficzne dla eksperymentu), a także pod kątem tACS (np. historia napadów padaczkowych, przewlekłe bóle głowy, ciąża)26,27.
  2. Kiedy pacjent dotrze na miejsce, poinstruuj go o szczegółach eksperymentu fMRI i opisz doświadczenie, którego może się spodziewać (np. bodziec wzrokowy, mrowienie lub fosfeny z tACS, instrukcje do zadań specjalnych).
  3. Umieść elektrody zgodnie z systemem 10-20 EEG i preparatem stymulatora.
    1. Za pomocą taśmy mierniczej zmierz odległość na głowie fotografowanej osoby od nasiona do wnęki oraz od ucha do ucha nad czubkiem głowy. Przecięcie obu długości daje pozycję na głowie dla Cz, zgodnie z systemem 10-20 EEG. Zaznacz miejsce Cz na skórze głowy za pomocą markera.
    2. Umieść czepek EEG bez elektrod na głowie badanego, tak aby Cz był wyrównany ze znakiem na skórze głowy osoby, określ żądane położenie elektrod i zaznacz je.
      UWAGA: Ważne jest, aby wszyscy eksperymentatorzy korzystali z tego samego systemu umieszczania, aby zapewnić spójność we wszystkich eksperymentach; System 10-20 EEG, który jest powszechnie stosowany w eksperymentach ze stymulacją przezczaszkową, ma szczegółowe wytyczne dotyczące utrzymania dokładnego rozmieszczenia elektrod26,28.
    3. Za pomocą alkoholu i wacików oczyść włosy i skórę na i wokół zaznaczonych miejsc na skórze głowy fotografowanej osoby; usuń oleje i produkty do włosów.
    4. Rozprowadź trochę żelu na gumowych elektrodach i mocno dociśnij każdą elektrodę do zaznaczonych i oczyszczonych miejsc na skórze głowy pacjenta, zapewniając pełny kontakt od elektrody do żelu przewodzącego ze skórą głowy przy minimalnej impedancji.
    5. Używając zapasowego ekranowanego LAN, podłącz skrzynki filtrujące i bezpieczne dla MR do stymulatora i do gumowych elektrod, jak pokazano na Rysunek 1A.
    6. Włącz stymulator i przetestuj impedancję (szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji obsługi). Jeśli impedancja nie jest mniejsza niż 20 kΩ, dociśnij elektrody do skóry głowy lub w razie potrzeby dodaj żel elektrodowy, aż zostaną spełnione wytyczne dotyczące impedancji.
    7. Gdy impedancja jest poniżej 20 kΩ, pozwól stymulatorowi na wyprowadzenie prądu przez kilka sekund, aby zapoznać badanego z doznaniami sensorycznymi. Zapytaj badanego o percepcję zmysłową podczas tego testu, w tym o to, czy uczucie mrowienia istnieje i czy można je znieść, a także o zakres lub lokalizację fosfenów podczas stymulacji.
    8. W tym momencie badany jest przygotowany do przejścia do łóżka skanera. Pozostawiając elektrody podłączony do gumowych elektrod na obiekcie, odłącz stymulator, zapasowy LAN oraz zewnętrzne i wewnętrzne skrzynki filtrów.
    9. Podłącz zewnętrzną skrzynkę filtra do LAN, który biegnie przez falowód do skanera MR, pozostawiając jak najmniej odsłonięty LAN na zewnątrz falowodu (patrz Rysunek 1B). Podłącz stymulator do zewnętrznej skrzynki filtra za pomocą stymulatora i dwukrotnie sprawdź, czy stymulator jest podłączony do wyjścia wyzwalającego komputera prezentacyjnego.
  4. Przygotuj obiekt w skanerze MR.
    UWAGA: Rysunek 1C pokazuje pełną konfigurację tACS-fMRI podczas eksperymentu. Bardzo ważne jest, aby ułożyć i wewnętrzną skrzynkę filtra zgodnie ze specyfikacją, tak aby elektrody był ułożony pod kątem około 90° do płaszczyzny łoża skanera, a wewnętrzna skrzynka filtra spoczywała na poręczy łoża skanera po prawej stronie otworu skanera. Zaniedbanie tego może spowodować uszkodzenie obwodu bezpieczeństwa elektrody; ta konfiguracja dotyczy zarówno otwartych, jak i zamkniętych cewek RF.
    1. Po upewnieniu się, że obiekt jest wolny od materiałów magnetycznych i gotowy do eksperymentu MRI, zaprowadź go do pomieszczenia skanera.
    2. Daj pacjentowi zatyczki do uszu w celu ochrony słuchu i poinstruuj go, aby położył się na łóżku skanera, umieszczając poduszki wokół i pod głową oraz pod nogami dla wygody i ograniczenia ruchów. Umieszczając poduszki za głową osoby badanej, należy zwrócić szczególną uwagę, aby ułożyć elektrody płasko i w pozycji, która jest wygodna dla osoby badanej do leżenia przez cały czas trwania eksperymentu.
    3. Daj osobie badanej kulkę alarmową i przycisk odpowiedzi MR-safe do trzymania w taki sposób, aby do naciśnięcia przycisku w celu odpowiedzi w eksperymencie wymagany był minimalny ruch.
    4. Zabezpiecz cewkę głowicy RF nad głową fotografowanej osoby za pomocą przymocowanego lustra w taki sposób, aby obiekt mógł zobaczyć ekran projekcyjny odbity we właściwej orientacji.
    5. Tymczasowo przymocuj wolny koniec elektrody wychodzącego z elektrod gumowych do miejsca w cewce głowicy, tak aby nie zaczepiał się podczas ruchu łoża. Rysunek 1D pokazuje głowę osoby umieszczonej w cewce głowicy z poduszkami, lustrem i tACS na miejscu przed przeniesieniem łóżka do środkowej cewki głowicy w celu obrazowania. Skrzynka filtra jest również pokazana umieszczona na poręczy łoża skanera, jako przykład miejsca, w którym musi być osadzona względem cewki głowicy, gdy łoże skanera znajduje się w pozycji pomiarowej.
    6. Przesuń łoże skanera do pozycji pomiarowej. Z tyłu otworu skanera podłącz elektrody od gumowych elektrod do wewnętrznej skrzynki filtra, która łączy się z LAN, jak pokazano na Rysunek 1C. Aby zapobiec nadmiernemu ruchowi podczas skanowania, przymocuj i skrzynkę filtracyjną wzdłuż poręczy łoża skanera po prawej stronie otworu za pomocą taśmy i worków z piaskiem. Umieść ekran projektora w tylnej części otworu skanera.
    7. Jeszcze raz sprawdź impedancję na stymulatorze, aby upewnić się, że wszystkie połączenia między, skrzynkami filtrującymi i stymulatorem są wykonane prawidłowo.

3. Skanowanie MR i eksperyment

  1. Przed rozpoczęciem skanowania sprawdź, czy komputer prowadzący prezentację rejestruje, kiedy osoba badana naciska przyciski odpowiedzi.
  2. Pozyskiwanie danych anatomicznych o wysokiej rozdzielczości T1 (np. trójwymiarowy turboszybki strzał pod niskim kątem, czas echa (TE): 3,26 ms, czas powtarzania (TR): 2 250 ms, czas odwrócenia: 900 ms, kąt odwrócenia 9°, rozdzielczość izotropowa 1 x 1 x 1 mm3).
    1. Po akwizycji dostosuj kontrast i okienka w anatomicznym rezonansie magnetycznym do niskich i wysokich skrajności, aby wizualnie wykryć szum podczas skanowania, który może wynikać z konfiguracji stymulatora. Kontynuuj wizualne monitorowanie szumu równolegle z funkcjonalną akwizycją obrazu.
  3. Rozpocznij eksperyment na komputerze prezentującym, gotowy do rozpoczęcia od wyzwalacza skanera, i uruchom stymulator, aby poczekać na wyzwolenie wyjścia komputera prezentacyjnego. Pozostaw stymulator włączony i podłączony przez cały czas trwania eksperymentu fMRI, aby uniknąć różnic w czasowym stosunku sygnału do szumu (tSNR) między warunkami włączenia i wyłączenia stymulatora22.
  4. Rozpocznij skan fMRI (np. dwuwymiarowe obrazowanie gradientowo-echo-płaskie T2*ważone echem gradientowym; TE: 30 ms, TR: 2 000 ms, kąt odwrócenia 70°, 33 plastry o grubości 3 mm, brak przerw między warstwami w rozdzielczości w płaszczyźnie 3 x 3 mm2, 210 objętości na siedem minut skanowania), co uruchamia rozpoczęcie eksperymentu na komputerze prezentacyjnym. Monitoruj wyświetlacz stymulatora, aby zagwarantować, że prąd jest przesyłany w żądanych momentach podczas przebiegów eksperymentalnych.

4. Podsumowanie eksperymentu

  1. Po zakończeniu eksperymentu i skanowaniu odłącz wewnętrzną skrzynkę filtra od podłączonego do gumowych elektrod przed przesunięciem łoża skanera, wyjmij obiekt ze skanera i wyjmij elektrody, pozostawiając badanemu swobodę umycia włosów.
  2. Wyłącz stymulator i podłącz go, aby naładować. Wyczyść gumowe elektrody wodą do ich następnego użycia.

Results

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

Rysunek 2 i Rysunek 3 pokazuje reprezentatywne obrazy uzyskane do testów hałasu sprzętu odpowiednio u fantomu i u człowieka. W każdym wierszu Rysunek 2 i Rysunek 3 pokazuje reprezentatywne przekroje osiowe z uzyskanej objętości lub obliczonej mapy, odpowiednio oznaczone powyżej wiersza. Obraz po prawej stronie w każdym wierszu jest strzałkową reprezentacją odpowiedniej objętości lub obliczonej mapy, wskazującą położenie osiowych przekrojów niebieskimi liniami. Z wyjątkiem pierwszego rzędu, który ilustruje rozmieszczenie elektrod w kolorze białym, objętość jest nałożona na obraz ważony T1 na każdym rysunku. Zauważ, że na obrazach T1-zależnych nie ma zniekształceń ani zaniku sygnału z elektrod. Drugi wiersz Rysunek 2 pokazuje reprezentatywne funkcjonalne dane MRI uzyskane z zainstalowaną i włączoną konfiguracją tACS. Na fantomie w Rysunek 2, zauważ, że występuje pewien zanik sygnału i zniekształcenia spowodowane przez elektrody, jednak wiersz 2 Rysunek 3 pokazuje, że te zniekształcenia nie wykraczają poza skórę głowy u obiektu. Wiersze trzeci i czwarty Rysunek 2 pokazuje pomiary szumu w objętości, które są uzyskiwane przy użyciu tych samych parametrów, co dane fMRI, ale bez impulsu wzbudzenia RF. Obrazy pokazują poziom hałasu w pomieszczeniu skanera i sprzętu MR podczas skanowania. Wiersz trzeci to pomiar hałasu z wyłączonym tACS, a wiersz czwarty to wiersz z włączonym tACS. W piątym i szóstym rzędzie Rysunek 2 znajdują się mapy tSNR dla przebiegów funkcjonalnych z ustawieniem tACS i stymulatorem odpowiednio wyłączonym i włączonym. Mapy TSNR obliczone na podstawie danych uzyskanych u człowieka pojawiają się w Rysunek 3 wiersze trzy, z wyłączonym tACS i czwarty, z włączonym tACS. Zauważ, że nie ma widocznej różnicy w intensywności podczas porównywania warunków stymulacji. Jak wykazaliśmy w poprzednim badaniu, sprzęt tACS powoduje około 5% spadek tSNR na obrazach w porównaniu z tymi uzyskanymi bez konfiguracji tACS, jednak tSNR powinien pozostać stabilny w warunkach włączania i wyłączania stymulacji22.

Rysunek 4 przedstawia serię obrazów, które pokazują zanik sygnału, który może wystąpić, gdy używane są elektrody niekompatybilne z MR. Wycinki z objętości fMRI uzyskanej od osoby z elektrodami, które mogą mieć pewne zanieczyszczenia metalami, pokazują zanik sygnału poniżej elektrody umieszczonej mniej więcej nad pierwszorzędową korą ruchową, jak oznaczono czerwonymi kółkami.

Rysunek 5 pokazuje wyniki eksperymentu testującego wpływ natężenia prądu 16 Hz Cz-Oz tACS na sygnał BOLD u osób, których jedynym zadaniem jest centralna fiksacja krzyżowa. W trakcie trwania eksperymentu 12-sekundowe okresy tACS przeplatały się z okresami bez stymulacji wahającymi się od 24 do 32 sekund. W kolejności pseudorandomizowanej zastosowano tACS o różnym natężeniu prądu (500 μA, 750 μA, 1 000 μA, 1 500 μA) w każdym z czterech przebiegów. Rysunek 5A pokazuje średnie związane ze zdarzeniami sygnału BOLD dla statystycznie istotnych klastrów, z rosnącym wpływem na sygnał BOLD wraz ze wzrostem natężenia prądu. Dodatkowo, Rysunek 5B pokazuje mapy T-score specyficzne dla siły prądu, ilustrujące regionalną specyfikę efektów, a także zwiększający się efekt przestrzenny wraz ze wzrostem natężenia prądu. Warto również zauważyć, że aktywność BOLD w obszarach czołowych uległa znacznej zmianie, co pokazuje, że modulacje nie zawsze były bezpośrednio pod elektrodami. Aby uzyskać szczegółowe informacje, zapoznaj się z artykułem Cabral-Calderin and associate22.

Rysunek 6 pokazuje reprezentatywne wyniki eksperymentu testującego zależność częstotliwości efektów tACS podczas zadania percepcji wzrokowej. Badani zgłaszali postrzegany kierunek bistabilnej obracającej się kuli. W tym samym czasie zastosowano tACS z elektrodami umieszczonymi w Cz i Oz na jednej z trzech częstotliwości stymulacji (10 Hz, 60 Hz lub 80 Hz) w każdej z trzech oddzielnych sesji. Rysunek 6A ilustruje czas eksperymentu z prezentacją wizualną i okresami tACS pomiędzy blokami centralnej fiksacji krzyżowej. Mapy interakcji warunków i efektów częstotliwości TACS oraz klastrowe testy post-hoc pokazują efekty specyficzne dla częstotliwości w korze ciemieniowej, z sygnałem zmniejszającym się o 10 Hz i rosnącym o 60 Hz (Rysunek 6B). Rysunek 6C pokazuje mapy T-score specyficznych efektów tACS 60 Hz rozciągających się poza korę ciemieniową, obejmując niektóre obszary potyliczne i czołowe. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat eksperymentu i analizy, patrz Cabral-Calderin i wsp.22.

figure-results-1
Rysunek 1: Konfiguracja TACS w skanerze. (A) Konfiguracja TACS ze wszystkimi niezbędnymi elementami. Stymulator i są podłączone na zewnątrz pomieszczenia ekranowanego MR. Pokazano również czepek EEG, taśmę mierniczą i żel przewodzący używany do umieszczania elektrod. b) zewnętrzna skrzynka filtra i stymulator umieszczone na zewnątrz pomieszczenia skanera. LAN (niewidoczny na rysunku) wychodzi z pomieszczenia skanera przez rurkę falowodu RF i łączy się z zewnętrzną skrzynką filtrów, przy czym jak najmniej LAN jest odsłonięte na zewnątrz pomieszczenia skanera. Stymulator należy podłączyć do zewnętrznej skrzynki filtra, a także do wyjściowego wyzwalacza komputera prezentacyjnego. (C) Środowisko skanera z konfiguracją eksperymentalną. Przedstawienie konfiguracji tACS, w tym komputera prezentacyjnego, komputera skanera i wyjścia wyzwalającego oraz projektora. (d) Pozycjonowanie obiektu do eksperymentu. Ważnymi elementami są poduszki, rozmieszczenie, lusterko i cewka czołowa. Skrzynka filtra jest umieszczona na poręczy łoża skanera jako przykład umieszczenia wewnątrz otworu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rycina 2: Ocena jakości obrazów MR uzyskanych na fantomie. Rząd 1: Anatomiczne wycinki osiowe obrazu o wysokiej rozdzielczości ważone T1, których położenie jest oznaczone niebieskimi liniami na strzałkowym wycinku po prawej stronie (widoczne również w każdym następnym rzędzie). Na płaszczyźnie strzałkowej pozycje elektrod są zilustrowane kolorem białym. Rząd 2: Warstwy obrazu echo-płaskiego ważone T2*, z karmazynowymi strzałkami wskazującymi zanik sygnału i zniekształcenia spowodowane elektrodami i/lub żelem elektrodowym. Na płaszczyźnie strzałkowej położenie odpowiedniej objętości jest pokazane jako nakładka (widoczna również w każdym następnym wierszu). Rząd 3: Wycinki obrazu szumu uzyskane z parametrami eksperymentalnymi fMRI i bez impulsu wzbudzenia RF, gdy konfiguracja tACS jest na miejscu i włączona, ale nie stymuluje. Rząd 4: Obraz bez wzbudzenia RF uzyskany z założoną konfiguracją tACS i włączonym stymulatorem i stymulującym przy 16 Hz. Rząd 5: Mapa TSNR obliczona na podstawie danych uzyskanych przy włączonej konfiguracji tACS, ale nie stymulującej. Wiersz 6: Mapa TSNR obliczona na podstawie danych uzyskanych przy założonej konfiguracji tACS i stymulującej przy 16 Hz. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rycina 3: Ocena jakości obrazów MR uzyskanych od osoby badanej. Rząd 1: Przekroje osiowe obrazu anatomicznego o wysokiej rozdzielczości z ich położeniem oznaczonym niebieskimi liniami na strzałkowym wycinku po prawej stronie (jak pokazano w każdym rzędzie). Pozycje elektrod są zilustrowane kolorem białym w widoku strzałkowym. Rząd 2: Wielopoziomowe wycinki obrazu echo-płaskiego ważone T2*, które nie wykazują zaniku sygnału z powodu elektrod i/lub żelu elektrodowego. Na płaszczyźnie strzałkowej położenie odpowiedniej objętości jest pokazane jako nakładka (widoczna również w każdym następnym wierszu). Wiersz 3: Mapa TSNR obliczona na podstawie danych uzyskanych przy włączonej konfiguracji tACS, ale nie stymulującej. Wiersz 4: Mapa TSNR obliczona na podstawie danych uzyskanych z zainstalowaną konfiguracją tACS i stymulującą przy 16 Hz. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Zanik sygnału spowodowany zanieczyszczoną elektrodą. Plastry z objętości fMRI uzyskanej od osoby badanej za pomocą zanieczyszczonej elektrody umieszczonej mniej więcej nad gałką ręki kory ruchowej. Czerwone kółka wskazują obszary poniżej elektrody z zanikiem sygnału. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Wpływ natężenia prądu na modulację tACS sygnału BOLD. a) Mapy f-score przedstawiające główny wpływ natężenia prądu na wpływ 16 Hz tACS. Widoczny jest istotny główny wpływ natężenia prądu w jednokierunkowej rANOVA [w ramach współczynnika: natężenie prądu (500, 750, 1 000, 1 500 μA)]. Wykresy pokazują średni przebieg czasowy sygnału BOLD związany ze zdarzeniem dla okresów tACS dla każdej siły prądu. Zacienione obszary wskazują błąd standardowy średniej dla wszystkich obiektów. PrzyśrodkowyFG = przyśrodkowy zakręt czołowy, IPS = bruzda śródciemieniowa, IFG = dolny zakręt czołowy, PrC = zakręt przedśrodkowy, L = lewy, R = prawy, *klaster nieskorygowany dla wielokrotnych porównań. (b) Mapy T-score pokazujące zmiany aktywności BOLD podczas 16 Hz tACS dla każdej aktualnej siły. Nie stwierdzono istotnego wpływu przy 500 μA tACS. LH = lewa półkula; RH = prawa półkula. Ten obraz został zmodyfikowany na podstawie Cabral-Calderin et al.29. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Wpływ tACS na sygnał BOLD w zadaniu percepcji wzrokowej. (a) Schematyczne przedstawienie eksperymentu. Bodziec wzrokowy i tACS zastosowano w układzie blokowym, przy czym 30-sekundowe bloki tACS występowały podczas 120-sekundowych bloków prezentacji bodźców wzrokowych. Każda częstotliwość została przetestowana w innej sesji. SfM = struktura-z-ruchu. b) Warunek TACS i wpływ oddziaływania częstotliwościowego. Mapy statystyczne F przedstawiające istotność dwukierunkowej rANOVA [w ramach czynników: tACS (włączony, wyłączony), częstotliwości (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] i oszacowań beta dla dwóch reprezentatywnych klastrów w zakręcie postcentralnym. Linie ciągłe i czarne gwiazdki oznaczają istotne różnice w porównaniach post-hoc dla efektów interakcji tACS on-off 10 Hz w porównaniu z 60 Hz i 10 Hz w porównaniu z 80 Hz, a czerwone gwiazdki oznaczają istotną różnicę w testach post-hoc tACS włączonych i wyłączonych. PoC = zakręt zaśrodkowy, IPS = bruzda śródciemieniowa. orazMapa T-score 60 Hz tACS. Znaczące różnice porównujące 60 Hz tACS włączone i wyłączone. To zdjęcie zostało przedrukowane z Cabral-Calderin et al.29. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

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

W tym miejscu opisaliśmy procedurę jednoczesnej konfiguracji i wykonania eksperymentu tACS-fMRI przy użyciu systemu tACS kompatybilnego z MR. Niektóre kroki tej procedury wymagają szczególnej uwagi, zwłaszcza w odniesieniu do konfiguracji tematu. Stymulator i konfiguracja kompatybilna z MR zastosowana w tym eksperymencie ma minimalną impedancję około 12 kΩ tylko z kablami, skrzynkami filtrów i elektrodami, a producent zaleca minimalną impedancję 20 kΩ z elektrodami podłączonymi do obiektu; Wymóg ten zależy od produktu stymulującego i producenta. Podczas przykładania elektrod do obiektu, jeśli impedancja jest zbyt wysoka, można podjąć pewne kroki w celu zmniejszenia tej wartości oprócz naciskania elektrod. Na przykład łatwiej może być najpierw pokryć zaznaczone i oczyszczone miejsca na skórze głowy żelem do elektrod, w tym włosy, przed dociśnięciem elektrody do skóry głowy. Zapewni to rozprowadzenie prądu po materiale nieprzewodzącym; Należy jednak uważać, aby ograniczyć pokrycie żelem elektrod do mniej więcej tej samej powierzchni, co elektrody, aby skierować prąd do pożądanego obszaru stymulacji. Zwróć na to szczególną uwagę, jeśli elektrody są blisko siebie, ponieważ bocznik prądu między elektrodami może nastąpić w wyniku nadmiernego kontaktu elektrody z żelem. Jeśli elektroda znajduje się z tyłu głowy, gdzie badany będzie leżał bezpośrednio na niej, należy zwrócić szczególną uwagę na umieszczenie poduszek za głową, tak aby badany nie czuł się niekomfortowo w miarę trwania eksperymentu; Ten dyskomfort może początkowo nie stanowić problemu dla pacjenta, jednak doświadczenie pokazuje, że ból pojawia się i nasila z czasem. Dodatkowo, podobnie jak w przypadku wszystkich eksperymentów fMRI, ruch obiektu wprowadza problematyczne zakłócenia, dlatego ważne jest, aby badany czuł się komfortowo ze wszystkimi kablami i elektrodami na miejscu.

Najważniejszym aspektem konfiguracji, który należy wziąć pod uwagę, jest szum potencjalnie wprowadzany do środowiska MR, który może wywoływać artefakty i zniekształcenia obrazu. Przed eksperymentem rozsądnie jest przetestować pod kątem artefaktów obrazu przy całej konfiguracji tACS. Można użyć normalnego fantomu sferycznego, zabezpieczającego elektrody żelem elektrodowym. Ważne jest, aby zapewnić pewien sposób przepływu prądu między elektrodami, co można osiągnąć, nakładając dużą ilość żelu elektrodowego na ścieżce od jednej elektrody do drugiej. Przeprowadź cały eksperyment zgodnie z planem dla badanego, uwzględniając zmiany parametrów, takie jak częstotliwość i prąd. Podczas sesji skanowania dostosowanie kontrastu i okien do skrajności w przeglądarce obrazów na komputerze sterującym skanerem MR umożliwia łatwiejsze wizualne wykrywanie szumów. Podczas wizualnego monitorowania szumu przed i w trakcie eksperymentu, szum może wystąpić jako skoki na obrazie o dużym natężeniu, wzorce, w których sygnał nie powinien być mierzony, lub zmieniające się natężenie w czasie, jak na przykład. Pozyskiwanie danych fMRI przy wyłączonym impulsie wzbudzenia RF dostarcza informacji o szumie otoczenia skanera podczas skanowania bez uzyskiwania rzeczywistego sygnału obrazu (patrz rysunek 2). Ten test hałasu można wykonać podczas każdej sesji skanowania. Jeśli występują różnice w hałasie, sprawdź, czy wszystkie kable są nienaruszone i dobrze podłączone do stymulatora, elektrod i skrzynek filtrujących. Żadne kable nie powinny siedzieć w pętlach. Szumy lub zniekształcenia mogą wynikać między innymi z uszkodzonych kabli, elektrod z metalowymi zanieczyszczeniami w gumie (mimo że są sprzedawane jako kompatybilne z MR) i wadliwych połączeń. Stymulator jest zasilany bateryjnie, aby zminimalizować szumy elektryczne w konfiguracji; Upewnij się, że jest w pełni naładowany przed każdym eksperymentem i że pozostaje włączony i podłączony przez cały czas trwania eksperymentu. TSNR w obrazach funkcjonalnych zmniejszy się o około 5% przy podłączonym stymulatorze, jednak wartości powinny być stabilne w różnych warunkach stymulacji22. Jednoczesna przezczaszkowa stymulacja elektryczna - testy fMRI na zwłokach wykazały, że nie ma artefaktów związanych ze stymulacją prądem przemiennym, co jest zaletą w porównaniu ze stymulacją prądem stałym30. Teoretycznie ten brak artefaktów można wytłumaczyć prądem netto równym zeru w momencie pozyskiwania obrazu30. Jednak w przypadku niektórych eksperymentów przeprowadzonych w naszym laboratorium czas akwizycji lub TR nie jest wielokrotnością częstotliwości stymulacji. Po przeprowadzeniu testów szumów wymienionych w tym protokole i zbadaniu obrazów pod kątem artefaktów, które nie były widoczne, doszliśmy do wniosku, że jakakolwiek różnica w prądzie netto od zera jest niewielka i zbyt znikoma, aby wywołać artefakty.

Innym krytycznym punktem dla udanych eksperymentów jest to, że komputer prezentacyjny otrzymuje wyjście wyzwalające skanera, a stymulator otrzymuje wyzwalacz z komputera prezentacyjnego. Przed eksperymentem zaprogramuj projekt bodźca wzrokowego i czas jego trwania za pomocą żądanego oprogramowania. Ten program musi używać wyzwalaczy do synchronizacji prezentacji bodźca wzrokowego ze skanerem MR i stymulatorem; inicjuje się od wyzwalacza, który jest wysyłany ze skanera MR, a także wysyła wyzwalacze wyjściowe do stymulatora w żądanych czasach stymulacji. Łatwym sposobem sprawdzenia komunikacji spustu podczas konfiguracji jest użycie oscyloskopu podłączonego kablem BNC do wyjścia wyzwalacza skanera, a także wyjścia komputera prezentacyjnego. W naszej konfiguracji skaner MR wysyła wyzwalacz (przełącznik) dla każdej uzyskanej głośności funkcjonalnej, a komputer prezentujący wysyła sygnał zaprogramowany przez oprogramowanie do prezentacji. Analiza dobrze zaprojektowanego eksperymentu opiera się w dużej mierze na stymulacji w odpowiednim czasie.

Niektóre etapy tego eksperymentu mogą być w razie potrzeby dostosowane do wymagań warunków laboratoryjnych. Na przykład ta konfiguracja opisuje użycie projektora i luster do prezentacji bodźców wizualnych, jednak urządzeniem wyjściowym bodźca wizualnego mogą być gogle z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym bezpieczne dla MR lub monitor bezpieczny dla MR, wybrane na podstawie preferencji lub ograniczeń eksperymentu i laboratorium. Również parametry skanu MRI powinny być dostosowane do eksperymentu. Warto zauważyć, że należy zwrócić uwagę na właściwy wybór kontroli doświadczalnej dla tACS, chociaż nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Krótka pozorowana stymulacja trwająca 30 sekund może naśladować somatosensację wywołaną przez tACS, która ostatecznie zmniejsza się wraz z długotrwałą stymulacją; Jednak niektóre badania pokazują, że nawet krótkie okresy stymulacji mogą wywołać porywanie oscylacyjne12. Inną możliwą kontrolą, którą można zastosować do tACS, jest stymulacja za pomocą częstotliwości nieefektywnej lub, innymi słowy, częstotliwości innej niż ta, która nas interesuje. Wyjątkiem jest to, że percepcja somatosensacji i fosforu zmienia się w zależności od częstotliwości stymulacji31. Wreszcie, jeśli chodzi o subiektywne doświadczenia stymulacji, fosfeny indukowane przez tACS różnią się u poszczególnych osób, więc aby jak najlepiej uchwycić zmienność obiektu, rozważ użycie szczegółowego systemu oceny percepcji fosfenu i poświęć trochę czasu z badanym, opisując różne cechy fosfenów (np. lokalizacja, intensywność), które mogą wystąpić, aby badany mógł uważnie ocenić swoje doświadczenie podczas stymulacji32. Lokal mieszkalny 33.

Przedstawione tutaj reprezentatywne wyniki sugerują, że efekty tACS są zależne od prądu, częstotliwości i że modulacja nie jest ograniczona do obszarów poniżej elektrod, ale rozciąga się na odległe, prawdopodobnie funkcjonalnie połączone obszary. Jednym z ograniczeń tej techniki jest czasowa rozdzielczość fMRI, a także odpowiedzi BOLD. Akwizycja danych i odpowiedź hemodynamiczna nie są tak szybkie, jak częstotliwość stymulacji lub aktywność elektryczna mózgu, więc nie można zmierzyć bezpośrednich interakcji z efektami tACS specyficznymi dla częstotliwości. Biorąc jednak pod uwagę, że największa część literatury naukowej na temat efektów tACS pochodzi z badań behawioralnych, a tACS w oczywisty sposób wpływa na cały, skomplikowany układ nerwowy, jasne jest, że jednoczesne eksperymenty tACS-fMRI mają wiele do zaoferowania, jeśli chodzi o informowanie nas o efektach tACS w mózgu. EEG i MEG oferują wgląd w poziom rozdzielczości czasowych, które odpowiadają rozdzielczościom aktywności neuronalnej. Jednak EEG i MEG cierpią z powodu ograniczeń rozdzielczości przestrzennej i głębokości kory mózgowej lub intensywnych obliczeniowo technik rekonstrukcji źródła. Częstotliwość stymulacji i artefakty harmoniczne zastępujące interesujące sygnały mózgowe zarejestrowane na tych samych częstotliwościach dodatkowo komplikują analizy EEG i MEG. Zastosowano innowacyjne obejścia, aby sprostać niektórym z tych wyzwań. Helfrich i in. zastosowali nowatorską technikę usuwania artefaktu tACS z danych EEG za pomocą szablonu artefaktu, odejmowania i analizy głównych składowych15. Wykazali, że 10 Hz tACS zastosowany ciemieniowo-potylicznie zwiększa aktywność alfa w korze ciemieniowej i potylicznej oraz indukuje synchronizację w oscylatorach korowych działających z podobnymi częstotliwościami wewnętrznymi. Witkowski i współpracownicy zastosowali tACS z modulacją amplitudy i z powodzeniem stworzyli mapy korowe oscylacji mózgu oparte na MEG34. W celu zastosowania tACS w badaniach naukowych mających na celu lepsze zrozumienie prawidłowych i nieprawidłowych funkcji mózgu, a ostatecznie klinicznie w diagnostyce lub terapii, tACS powinien być oddzielnie łączony z EEG, MEG i fMRI, aby komplementarnie ustalić najlepsze praktyki dla określonych pożądanych efektów, które można dostosować specjalnie do poszczególnych osób. Po ustaleniu takich praktyk można przeprowadzić skuteczne badania w celu lepszego zrozumienia funkcji oscylacji neuronalnych (np. jasne zdefiniowanie ról funkcjonalnych i relacji różnych pasm częstotliwości) oraz ich modulacji za pomocą tACS (np. czy mechanizm zachodzi poprzez porywanie czy zmiany plastyczne35).

Biorąc pod uwagę przyszłe kierunki, opisana tutaj konfiguracja jest dostosowana do eksperymentów fMRI badających percepcję lub poznanie, jak wykazało opisane tutaj badanie struktury z ruchu i inne. Cabral-Calderin i współpracownicy wykazali, że aktywacja w regionach kory potylicznej była zależna od zadania i częstotliwości tACS w eksperymencie oglądania wideo w porównaniu z stukaniem palcami22. W jednoczesnym badaniu fMRI tACS-stan spoczynku, Cabral-Calderin i współpracownicy wykazali zależny od częstotliwości wpływ tACS na wewnętrzną łączność funkcjonalną i sieci w stanie spoczynku23. Vosskuhl i wsp. połączone tACS i fMRI w celu wykazania spadku BOLD podczas zadania czujności wzrokowej przy indywidualnej stymulacji częstotliwości alfa24. Alekseichuk i współpracownicy wykazali, że natychmiastowe następstwa tACS 10 Hz modulują sygnał BOLD podczas wizualnej percepcji pierścieni i klinów w kratkę, wskazując na zmianę metabolizmu neuronalnego zadania percepcji biernej36. Badania te przygotowały grunt pod równoczesne badania tACS-fMRI w celu zbadania mechanizmów funkcjonalnych na wielu poziomach, od metabolizmu po funkcje poznawcze. Na tak wczesnym etapie wykorzystania tACS do badań translacyjnych istnieje duży potencjał dla jednoczesnych eksperymentów tACS-fMRI, które mogą przyczynić się do zrozumienia zarówno techniki stymulacji, jak i wkładu oscylacji w funkcje poznawcze.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Dziękujemy Ilonie Pfahlert i Brittie Perl za pomoc techniczną podczas eksperymentów z obrazowaniem funkcjonalnym oraz Severinowi Heumüllerowi za doskonałe wsparcie komputerowe. Prace te były wspierane przez Fundację Hermana i Lilly Schillingów oraz Centrum Mikroskopii Nanoskalowej i Fizjologii Molekularnej Mózgu (CNMPB).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Brak
Stymulator prądu stałego MRNeuroConn, Ilmenau, Niemcyzawiera: wewnętrzną skrzynkę filtra, zewnętrzną skrzynkę filtra, elektrody i stymulatora MR-safe (po 1), stymulator, 2 elektrody powierzchniowe i jeden ekranowany LAN; UWAGA: Ten manuskrypt opisuje konfigurację tACS-fMRI ze stymulatorem MR-safe firmy NeuroConn, ale taki stymulator od innego producenta byłby akceptowalny, z adaptacjami dokonanymi w oparciu o specyfikacje producenta.
3 tesla Tim Trio MR skanerSiemens, Erlangen, Niemcy
prezentacja komputerowa oprogramowanie do prezentacji (
np. ;, Matlab)The Mathworks, Natick, USA
ekranowany projektor kablowy
InFocus Corporation, Wilsonville, USAIN-5108
Ten20 Pasta elektrodowaWeaver and Co., Aurora, Stany Zjednoczone
Czapka EEG - EASYCAP 32-kanałowy systemBrain Products GmbH, Niemcy
Marker do taśmy mierniczej
poduszki przycisk skrzynka
odpowiedziCurrent Designs, Filadelfia, USA
alkohol izopropylowy
waciki taśma
worki z piaskiem MR-safeSiemens, Erlangen, Niemcy
Lustra MR-safeSiemens, Erlangen, Niemcy
Ekranmożna zbudować w lokalnym warsztacie mechanicznym, aby dopasować parametry specyficzne dla danego miejsca
Zatyczki do uszu E-A-Rsoft3M, Bracknell, Wielka Brytania
LAN MR-safe

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12 (12), e1002032(2014).">Thut, G. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12 (12), e1002032(2014).
  2. Driving Oscillatory Activity in the Human Cortex Enhances Motor Performance. Current Biology. 22 (5), 403-407 (2012).">Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving Oscillatory Activity in the Human Cortex Enhances Motor Performance. Current Biology. 22 (5), 403-407 (2012).
  3. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).">Jausovec, N., Jausovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).
  4. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).">Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).
  5. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain stimulation. 5 (4), 484-491 (2012).">Laczo, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain stimulation. 5 (4), 484-491 (2012).
  6. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (7), 1298-1307 (2015).">Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Wilke, M. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (7), 1298-1307 (2015).
  7. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).">Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).
  8. Tremor Suppression by Rhythmic Transcranial Current Stimulation. Current Biology. 23 (5), 436-440 (2013).">Brittain, J. S., Probert-Smith, P., Aziz, T. Z., Brown, P. Tremor Suppression by Rhythmic Transcranial Current Stimulation. Current Biology. 23 (5), 436-440 (2013).
  9. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29 (6), 493-505 (2011).">Sabel, B. A., et al. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29 (6), 493-505 (2011).
  10. Non-Invasive Alternating Current Stimulation Induces Recovery From Stroke. Brain Injury. 26 (4-5), 634(2012).">Fedorov, A., Chibisova, Y., Gall, C., Sabel, B. A. Non-Invasive Alternating Current Stimulation Induces Recovery From Stroke. Brain Injury. 26 (4-5), 634(2012).
  11. Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing. Journal of Neuroscience. 30 (45), 15067-15079 (2010).">Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing. Journal of Neuroscience. 30 (45), 15067-15079 (2010).
  12. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Front Hum Neurosci. 7, 687(2013).">Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Front Hum Neurosci. 7, 687(2013).
  13. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum Neurosci. 7, 279(2013).">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).
  14. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14 (3), e1002424(2016).">Alagapan, S., et al. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14 (3), e1002424(2016).
  15. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).">Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  16. Neuling, T., Zaehle, T., Herrmann, C. Simultaneous recording of EEG and transcranial electric stimulation. International Journal of Psychophysiology. 77 (3), 312(2010).
  17. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5 (11), e13766(2010).">Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5 (11), e13766(2010).
  18. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).">Neuling, T., et al. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
  19. Flicker-Driven Responses in Visual Cortex Change during Matched-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation. Front Hum Neurosci. 10, 184(2016).">Ruhnau, P., Keitel, C., Lithari, C., Weisz, N., Neuling, T. Flicker-Driven Responses in Visual Cortex Change during Matched-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation. Front Hum Neurosci. 10, 184(2016).
  20. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , 89-98 (2016).">Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , 89-98 (2016).
  21. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , 110-117 (2016).">Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , 110-117 (2016).
  22. Transcranial alternating current stimulation affects the BOLD signal in a frequency and task-dependent manner. Hum Brain Mapp. 37 (1), 94-121 (2016).">Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial alternating current stimulation affects the BOLD signal in a frequency and task-dependent manner. Hum Brain Mapp. 37 (1), 94-121 (2016).
  23. Transcranial alternating current stimulation modulates spontaneous low frequency fluctuations as measured with fMRI. Neuroimage. 141, 88-107 (2016).">Cabral-Calderin, Y., Williams, K. A., Opitz, A., Dechent, P., Wilke, M. Transcranial alternating current stimulation modulates spontaneous low frequency fluctuations as measured with fMRI. Neuroimage. 141, 88-107 (2016).
  24. BOLD signal effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) in the alpha range: A concurrent tACS-fMRI study. Neuroimage. 140, 118-125 (2016).">Vosskuhl, J., Huster, R. J., Herrmann, C. S. BOLD signal effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) in the alpha range: A concurrent tACS-fMRI study. Neuroimage. 140, 118-125 (2016).
  25. Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 8 (25), (2014).">Krause, B., Cohen Kadosh,, R, Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 8 (25), (2014).
  26. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).">DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).
  27. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114 (11), 2220-2222 (2003).">Nitsche, M. A., et al. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114 (11), 2220-2222 (2003).
  28. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36 (6), 2374-2386 (2015).">Poeppl, T. B., et al. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36 (6), 2374-2386 (2015).
  29. Transcranial Alternating Current Stimulation Affects the BOLD Signal in a Frequency and Task-dependent Manner. Human Brain Mapping. 37 (1), 94-121 (2016).">Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial Alternating Current Stimulation Affects the BOLD Signal in a Frequency and Task-dependent Manner. Human Brain Mapping. 37 (1), 94-121 (2016).
  30. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85 (Pt 3), 1040-1047 (2014).">Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85 (Pt 3), 1040-1047 (2014).
  31. Both the cutaneous sensation and phosphene perception are modulated in a frequency-specific manner during transcranial alternating current stimulation. Restor Neurol Neurosci. 31 (3), 275-285 (2013).">Turi, Z., et al. Both the cutaneous sensation and phosphene perception are modulated in a frequency-specific manner during transcranial alternating current stimulation. Restor Neurol Neurosci. 31 (3), 275-285 (2013).
  32. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clinical Neurophysiology. 121 (9), 1551-1554 (2010).">Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clinical Neurophysiology. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  33. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (7), 1080-1084 (2010).">Schutter, D. J., Hortensius, R. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (7), 1080-1084 (2010).
  34. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , (2015).">Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , (2015).
  35. Alpha Power Increase After Transcranial Alternating Current Stimulation at Alpha Frequency (alpha-tACS) Reflects Plastic Changes Rather Than Entrainment. Brain Stimul. 8 (3), 499-508 (2015).">Vossen, A., Gross, J., Thut, G. Alpha Power Increase After Transcranial Alternating Current Stimulation at Alpha Frequency (alpha-tACS) Reflects Plastic Changes Rather Than Entrainment. Brain Stimul. 8 (3), 499-508 (2015).
  36. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , (2015).">Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Transcranial Alternating Current StimulationFunctional Magnetic Resonance ImagingtACS fMRI CombinationBrain Oscillation MeasurementBlood Oxygen Level DependentEEG Cap PlacementElectrode Impedance TestingStimulator SynchronizationVisual Task fMRIOscillatory Brain Function

Related Articles