Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym i jednoczesne funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest przedstawienie implementacji przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (TDCS) podczas jednoczesnego obrazowania funkcjonalnego rezonansem magnetycznym. Aby ocenić, w jaki sposób stymulacja wpływa na funkcje ludzkiego mózgu, pierwszym krokiem jest zgromadzenie niezbędnego sprzętu, w skład którego wchodzą MRI, kompatybilne kable, elektrody oraz skrzynki filtrujące. W drugim kroku należy skonfigurować sprzęt TDCS wewnątrz i na zewnątrz skanera.

Następnie uczestnik zostaje poddany badaniu przesiewowemu i przygotowany do stymulacji tDCS wewnątrz skanera. Po wprowadzeniu uczestnika do otworu skanera włączana jest stymulacja i rozpoczyna się eksperyment fMRI. Ostatecznie wyniki uczestników skanowanych podczas A-T-D-C-S są porównywane w ramach schematu badania wewnątrzgrupowego z wynikami uzyskanymi podczas oddzielnej sesji pozornej tDCS, aby wykazać wpływ stymulacji na funkcjonalną aktywność mózgu.

Główną zaletą obrazowania w trakcie choroby w porównaniu do protokołów TS opartych wyłącznie na behawiorze jest możliwość badania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw efektów stymulacji. Ponadto, w porównaniu z innymi technikami neuroobrazowania, takimi jak EEG, fMRI oferuje lepszą rozdzielczość przestrzenną, a także umożliwia weryfikację położenia elektrod na obrazach. Połączone zastosowanie fMRI i tDCS może pomóc w wyjaśnieniu mechanizmów neuronalnych związanych z działaniem tDCS w zdrowym mózgu, a także w szeregu różnych stanów patologicznych, takich jak udar czy otępienie.

Zrozumienie mechanizmu działania TDCS w mózgu może w przyszłości usprawnić kliniczne zastosowania tej techniki. Ponieważ szereg krytycznych etapów musi zostać wykonany w odpowiedniej kolejności i w ściśle określonym czasie, niezbędne dla pomyślnej implementacji jest staranne planowanie oraz zapoznanie się z tymi krokami. Przy prawidłowym wykonaniu technika ta stwarza jedynie minimalne ryzyko dla uczestników.

Badacze muszą jednak upewnić się, że przestrzegają ustalonych wytycznych dotyczących bezpieczeństwa MRI oraz TDCF. Projekt eksperymentalny składa się z dwóch segmentów fMRI przeprowadzonych podczas pięciominutowej sekwencji stanu spoczynku w trakcie T-D-C-S-A oraz jedenastominutowego jawnego zadania generowania słów semantycznych. 20-minutowa sesja TDCS rozpoczyna się mniej więcej jedną do dwóch minut przed skanowaniem, obejmuje cały czas trwania dwóch skanów funkcjonalnych, a także krótkie przerwy i instrukcje pomiędzy skanami.

Dodatkowe skany strukturalne są przeprowadzane po funkcjonalnych obrazowaniach rezonansem magnetycznym (fMRI) w stanie spoczynku oraz podczas wykonywania zadania. Sesja stymulacji pozorowanej polega na zastosowaniu TDCS przez 30 sekund przed fMRI w stanie spoczynku, bez stosowania TDCS w pozostałej części protokołu dla zadania językowego; należy użyć oprogramowania do prezentacji bodźców, aby wyświetlić na ekranie wewnątrz skanera obraz wizualny reprezentujący różne kategorie semantyczne. Projekcja odbywa się za pomocą projektora i systemu luster połączonych z komputerem.

Do przesyłania wypowiadanych odpowiedzi słownych wykorzystuje się mikrofon kompatybilny z MRI. Aby skonfigurować program urządzenia TDCS do podawania stałego prądu bezpośredniego o natężeniu 1 mA przez 20 minut, należy upewnić się, że stymulator jest odpowiednio naładowany. W przeciwnym razie urządzenie może wyłączyć się w trakcie eksperymentu. Następnie należy przygotować cały sprzęt, kable i elektrody niezbędne do przeprowadzenia TDCS zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

W pomieszczeniu sterowania MRI należy umieścić zewnętrzną skrzynkę filtra w pobliżu rury filtra RF, która służy do prowadzenia kabli do pomieszczenia skanera. Należy zwrócić uwagę, że zewnętrzna skrzynka filtra jest wyraźnie oznakowana. Nie wolno pomylić wewnętrznej i zewnętrznej skrzynki filtra.

Następnie podłącz stymulator do zewnętrznej puszki za pomocą kabla stymulatora. Zmierz długość kabla puszki wymaganą do połączenia wewnętrznej i zewnętrznej puszki filtracyjnej, pozostawiając odpowiedni zapas kabla do poprowadzenia wzdłuż ścian pomieszczenia skanera. Wsuń kabel puszki do rury filtra RF i podłącz go do zewnętrznej puszki filtracyjnej w pomieszczeniu skanera.

Umieść wewnętrzną skrzynkę filtra w tylnej części otworu skanera i zabezpiecz ją taśmą klejącą. Przymocuj kabel skrzynki do ścian taśmą klejącą i podłącz go do wewnętrznej skrzynki filtra skanera, unikając tworzenia pętli w kablach, ponieważ mogą one powodować nagrzewanie RF. Dokładnie przeprowadź przesiew uczestników pod kątem przeciwwskazań do MRI i TDCS, takich jak rozruszniki serca, metalowe elementy w ciele oraz klaustrofobia.

Po wyjaśnieniu procedury uzyskaj świadomą zgodę, analogicznie do konwencjonalnych konfiguracji tDCS, aby przygotować się do rozmieszczenia elektrod. Sprawdź skórę uczestnika pod kątem istniejących zmian skórnych i odsuń włosy. Następnie oczyść skórę alkoholem w celu poprawy jej stanu.

Po namoczeniu kieszeni gąbkowych w roztworze soli fizjologicznej, włóż do nich elektrody kompatybilne z MRI, używając pisaka, który nie pozostawia śladów ferromagnetycznych. Najpierw zaznacz na głowie badanego punkty przecięcia T3, F3 oraz F7 i C3, a następnie wyznacz punkt środkowy między F7 a F3. Teraz zaznacz środek linii łączącej te dwa punkty i w tym miejscu umieść anodę.

Następnie umieść katodę nad prawą okolicą nadbrwiową i przymocuj obie elektrody za pomocą gumki recepturki. Po końcowej kontroli bezpieczeństwa poza skanerem, wprowadź uczestnika do pomieszczenia ze skanerem, a następnie w pobliże skanera, aby podłączyć kabel elektrody do wewnętrznej skrzynki filtracyjnej. Następnie włącz stymulator i sprawdź impedancję, na przykład naciskając jednocześnie górny prawy i dolny lewy przycisk stymulatora.

Impedancje podczas tej procedury są zazwyczaj wyższe w porównaniu do standardowych protokołów T DS S ze względu na większą rezystancję długości kabla i pudełek filtracyjnych, dlatego kluczowe jest sprawdzenie impedancji przed rozpoczęciem skanowania. Jeśli granice impedancji zostaną przekroczone, stymulator zatrzyma się automatycznie. Możliwe środki zaradcze obejmują zapewnienie kontaktu elektrod ze skórą głowy, ponowne oczyszczenie skóry oraz zastosowanie większej ilości roztworu soli fizjologicznej na gąbki.

Upośnij uczestnika na stole skanera. Upewnij się, że elektrody wciąż znajdują się w prawidłowej pozycji. Następnie przeprowadź kabel elektrod przez dolną lewą część cewki głowowej i zabezpiecz kabel, aby zapobiec jego zaczepieniu o stół.

Podczas przesuwania statywu zamknij cewkę głowową, a następnie przekaż uczestnikowi przycisk awaryjny. Następnie wsuń uczestnika do skanera.

Następnie wykonaj wiercenie, sięgnij po kabel elektrody z tylnej części skanera, podłącz go do wewnętrznej skrzynki filtrów i opuść pomieszczenie. Użyj interkomu skanera, aby poinformować uczestnika o rozpoczęciu sesji skanowania. Po zakończeniu okresu akwizycji uruchom skan lokalizatora strukturalnego za pomocą konsoli skanera.

Sprawdź skan lokalizacyjny pod kątem artefaktów wysokoczęstotliwościowych, klikając dwukrotnie na skan lokalizacyjny i regulując kontrast poprzez przytrzymanie prawego przycisku myszy i przesuwanie myszą w lewo i w prawo. Użyj interkomu skanera, aby poinformować badanego, że stymulacja się rozpocznie i że może on odczuwać krótkotrwałe mrowienie w obrębie skóry głowy. Następnie powtórz instrukcje przed pierwszym skanem funkcjonalnym.

W przypadku skanowania w stanie spoczynku poinstruuj uczestnika, aby trzymał zamknięte oczy przez cały czas trwania pięciominutowego skanowania. Poinformuj go, aby poruszał się jak najmniej i nie myślał o niczym szczególnym. Upewnij się również, że projektor został wyłączony ręcznie.

Rozpocznij TDCS mniej więcej jedną do dwóch minut przed rozpoczęciem funkcjonalnego skanowania w stanie spoczynku. Użyj konsoli skanera, aby załadować sekwencję stanu spoczynku. Dwukrotnie kliknij sekwencję stanu spoczynku, aby otworzyć pole widzenia i dostosuj pozycję tak, aby obejmowała cały mózg i była wyrównana mniej więcej z linią łączącą przednią i tylną komissurę.

Teraz rozpocznij pierwszy skan. Podczas przeprowadzania badań z podwójnie ślepą próbą, monitoruj impedancję przez cały czas trwania eksperymentu z pomocą drugiego badacza w trakcie uruchamiania sekwencji stanu spoczynku. Załaduj drugą sekwencję obrazowania funkcjonalnego, którą jest zadanie językowe, i dostosuj pole widzenia w taki sam sposób jak wcześniej, korzystając z konsoli skanera, aby skrócić czas przejścia między skanami.

Po zakończeniu sekwencji stanu spoczynku włącz projektor, aby umożliwić wizualną prezentację bodźców eksperymentalnych podczas zadania językowego. Kliknij dwukrotnie ikonę oprogramowania do prezentacji i załaduj paradygmat językowy. Użyj interkomu skanera, aby powtórzyć instrukcje dotyczące paradygmatu FMRI związanego z zadaniem i rozpocznij zadanie po zakończeniu stymulacji oraz eksperymentu FMRI.

Kontynuuj zaplanowane skanowania strukturalne. Pod koniec eksperymentu odłącz kabel elektrody z wewnętrznej skrzynki filtracyjnej, zanim uczestnik opuści otwór skanera. Następnie zdejmij cewkę głowy i poproś uczestnika o wyprostowanie się oraz ostrożne usunięcie elektrod.

Badania fMRI podczas zadania generowania słów semantycznych wykazały zmniejszoną aktywność w brzusznej części zakrętu czołowego dolnego zarówno u młodszych, jak i starszych dorosłych, którzy otrzymali A-T-D-C-S, w porównaniu do skanowania tych samych osób podczas stymulacji pozornej. Nie stwierdzono istotnych różnic w lewym grzbietowym zakręcie czołowym dolnym oraz fMRI. Skanowanie stanu spoczynku przeprowadzone podczas A-T-D-C-S, w porównaniu do skanowania stanu spoczynku wykonanego u tych samych 18 uczestników podczas oddzielnej sesji pozornej tDCS, obrazuje obszary mózgu wykazujące zwiększoną łączność podczas A-T-D-C-S (oznaczone na czerwono) oraz obszary wykazujące zmniejszoną łączność (oznaczone na niebiesko).

W przyszłości nowa technika ta może zostać zastosowana w populacjach klinicznych w celu zwiększenia skuteczności istniejących interwencji lub opracowania nowych, ugruntowanych naukowo protokołów. Aby pogłębić zrozumienie mechanizmów działania TT CS, technikę tę można uzupełnić o inne metody, takie jak EEG TT S, aby wykorzystać ich wyższą rozdzielczość czasową. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat wymagań technicznych, wdrożenia oraz kwestii bezpieczeństwa związanych z łączonym zastosowaniem TDCS i MRI.