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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest ocena modulacji trwałych efektów przezczaszkowej stymulacji prądem zmiennym za pomocą jednopunktowej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w nowatorskim, zintegrowanym podejściu online. Przezczaszkowa stymulacja elektryczna jest techniką neuromodulacyjną, która wpływa na stany neuronowe poprzez zastosowanie różnych kształtów fali prądu. Jest ona powszechnie stosowana w neuronauce do badania mózgowych funkcji motorycznych i poznawczych.

Najczęściej stosowane podejścia opierają się na stymulacji prądem stałym, szumem losowym oraz stymulacji prądem zmiennym, które są w stanie wywołać zmiany w aktywności neuronów. Dzieje się to zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz neuronów, co powoduje zmianę potencjału spoczynkowego błony i w konsekwencji modyfikuje wydajność synaptyczną neuronów. tACS pozwala na dostarczenie zewnętrznego sinusoidalnego potencjału oscylacyjnego w określonym zakresie częstotliwości.

Poprzez indukowanie tzw. efektu synchronizacji (entrainment) w obrębie endogennej aktywności oscylacyjnej. Przedstawiamy tutaj nową metodę, która łączy tACS i jednoprowadzeniowy CMS podczas trwającej stymulacji pierwotnej kory ruchowej. Metoda ta pozwala nam badać w czasie rzeczywistym efekty stymulacji prądem przemiennym w pierwotnej korze ruchowej za pomocą potencjałów wywołanych ruchowo indukowanych przez pojedynczy impuls TMS.

Przedstawimy pełny zestaw sprzętu niezbędnego do przeprowadzenia protokołu łączonego TACS-TMS w trybie online poprzez stymulację pierwotnej kory ruchowej. Lista sprzętu obejmuje urządzenie do stymulacji elektrycznej, które może generować prąd elektryczny przemienny, na przykład BrainStim. Połączone jest ono za pomocą dwóch powierzchniowych elektrod gąbkowych nasączonych solą fizjologiczną o rozmiarze od pięciu do siedmiu centymetrów.

Aby zminimalizować odczucia skórne, elektrody są całkowicie nasycone roztworem soli fizjologicznej, aby utrzymać impedancję poniżej 10 kiloOhm przez cały czas trwania sesji stymulacji. Elektroda docelowa jest umieszczana na skórze głowy w miejscu odpowiadającym punktowi krytycznemu (hotspot) pierwotnej kory ruchowej przy użyciu specjalnych elastycznych pasków, natomiast elektroda referencyjna jest umieszczana na ipsilateralnym barku za pomocą taśmy klejącej w tzw. montażu jednobiegunowym. U ludzi oscylacje o różnych częstotliwościach odzwierciedlają różne zachowania i procesy poznawcze, które leżą u podstaw różnych stanów aktywności sieci neuronowej.

Zazwyczaj mierzone za pomocą encefalografii lub magnetoencefalografii. Oscylacje w ludzkim mózgu obejmują zakres od oscylacji ultrawolnych do ultraszybkich. Zazwyczaj występują one jednocześnie i mogą modulować się oraz oddziaływać na siebie nawzajem.

Niemniej jednak związek między aktywnością oscylacyjną a procesami mózgowymi był zawsze ustalany za pomocą metod korelacyjnych. W związku z tym kwestia tego, czy oscylacje mózgowe bezpośrednio odzwierciedlają fundamentalne mechanizmy przetwarzania informacji w korze mózgowej, czy są jedynie epifenomenem, pozostaje wciąż nierozwiązana. Stosując TACS, możemy przyczynowo modulować oscylacje mózgowe w sposób specyficzny dla danej częstotliwości, a w konsekwencji wpływać na fizjologiczną aktywność neuronalną powiązaną ze stanem spoczynku oraz procesami percepcyjnymi i poznawczymi.

Aby przygotować protokół TCS z wykorzystaniem urządzenia BrainStim, należy w pierwszej kolejności sprawdzić stan naładowania baterii. Następnie za pomocą specjalistycznego oprogramowania konfiguruje się parametry stymulacji: częstotliwość, czas trwania oraz kształt prądu.

Następnie dane są przesyłane do urządzenia za pomocą połączenia Bluetooth. Korzystając z oprogramowania, otwórz nową sesję i utwórz nowy protokół lub stymulację. Na przykład protokół zostanie nazwany Beta.

Ustaw częstotliwość stymulacji – w naszym przypadku będzie to 20Hz, wybierz przebieg sinusoidalny i określ całkowity czas trwania protokołu stymulacji, na przykład 600 sekund. Następnie ustaw natężenie stymulacji na 1 milliAmp, natomiast offset, fade in, fade out oraz fade ustaw na zero. Po aktywacji funkcji Bluetooth w urządzeniu prześlij protokół z oprogramowania do stymulatora.

Następnie należy sprawdzić, czy protokół został pomyślnie przesłany do urządzenia. Teraz przejdźmy do części dotyczącej TMS. W pierwszej kolejności należy umieścić elektrody do powierzchniowego EMG w celu pomiaru potencjałów blokady motorycznej za pomocą pojedynczego impulsu TMS.

Oczyść skórę za pomocą peelingu pod wszystkimi elektrodami, aby uzyskać niską impedancję skóry, poniżej 10 kΩ. W tym przypadku wykorzystano mięsień pierwszy międzykostny grzbietowy oraz zastosowano bipolarny montaż w obrębie brzuszca i ścięgna. Umieść elektrodę aktywną na mięśniu, elektrodę referencyjną na kości, dwa centymetry dystalnie, a elektrodę uziemiającą bardziej proksymalnie na ramieniu.

Potencjały blokady motorycznej są mierzone za pomocą elektrod srebrowych i srebrowo-chlorkowych, podłączonych do wzmacniacza BrainAmp DC poprzez skrzynkę z złączami. W celu prawidłowego pozycjonowania cewki TMS wykorzystujemy bezramowy system nawigacji TMS LocalEye TMS navigator. W pierwszej kolejności umieszczamy czujniki śledzące z przodu ciała uczestnika.

Do stymulacji TMS wykorzystujemy stymulator magnetyczny w trybie dwufazowym oraz H-kształtną, 75-milimetrową oscylującą cewkę stymulacyjną. Następnie, korzystając z obrazów strukturalnego MRI T1 uczestnika, wykonujemy aktualną lokalizację głowy uczestnika w trójwymiarowym modelu MRI głowy za pomocą systemu nawigacyjnego. Po tym kroku precyzyjnie pozycjonujemy cewkę nad obszarem pierwotnym kory ruchowej głowy, w tzw. regionie guzka przedśrodkowego (motor knob).

Następnie należy rozpocząć testowanie potencjałów blokady silnikowej TMS w pojedynczym przejściu. Po znalezieniu optymalnego punktu pobudzenia (hotspot) dla reprezentacji korowej badanego modelu dłoni, miejsce to zostaje zaznaczone w celu późniejszego umieszczenia elektrody docelowej TCS. Należy starannie dopasować pierwszy elastyczny pasek na głowie względem pozycji centrum głowy.

Następnie wyznaczyć pozycję elektrody docelowej za pomocą drugiego paska. Po umieszczeniu elektrod TCS zarówno na czaszce, jak i na barku po stronie ipsilateralnej, należy podłączyć je do stymulatora. Przed rozpoczęciem sesji stymulacji upewnić się poprzez inspekcję wizualną, że pozycja elektrody docelowej znajduje się centralnie nad zaznaczonego punktu zapalnego (hotspot).

Następnie umieść cewkę TMS nad elektrodami TCS, korygując intensywność i orientację za pomocą neuronawigacji, aby ponownie zlokalizować punkt zapalny (hotspot). Na tym etapie określ próg modelu spoczynkowego dla tej nowej łączonej konfiguracji TCS-TMS, uwzględniając grubość elektrody docelowej. Ustaw intensywność stymulacji w trakcie eksperymentu na poziomie 110% ich spoczynkowego progu motorycznego.

Większość badań nad TCS wykazała wyraźne efekty doraźne (online), jednak nadal brakuje jednoznacznych dowodów na długotrwałe działanie TCS po zaprzestaniu stymulacji. Tylko nieliczne badania w literaturze wskazały na słabe i niejednoznaczne efekty późne w porównaniu z osobami, u których stosowano TCS online. Dowody dotyczące EG również nie są jednoznaczne w kwestii efektów późnych po zastosowaniu TCS.

W badaniach in vivo wykazano, że skoki aktywności są zsynchronizowane z różnymi częstotliwościami stymulującymi, co sugeruje, że wyładowania neuronowe mogą być porywane przez pola elektryczne. Zatem w modelach zwierzęcych słaba sinusoidalna stymulacja prądem stałym (TCS) porywa częstotliwość wyładowań rozległego impulsu korowo-neuronalnego. W przypadku ludzi niedawne dowody wykazały, że TCS przeprowadzana online może wywołać efekt porywania sygnatury EEG.

Niemniej jednak podejście TCS EG wciąż budzi wątpliwości, po pierwsze ze względu na artefakty indukowane przez prąd przemienny (AC), a po drugie dlatego, że bezpośrednie zarejestrowanie sygnału EG z obszaru stymulowanego nie jest praktycznie możliwe. Taki połączony montaż TCS-TMS pozwala zaobserwować, szczególnie w systemie sensoromotorycznym, specyficzne dla danej częstotliwości efekty TCS w czasie rzeczywistym w odniesieniu do wyjścia korowo-rdzeniowego, wykorzystując jako sondę pojedyncze impulsy TMS kory motorycznej pierwszorzędowej. W związku z tym należy rozpocząć protokół stymulacji elektrycznej 20 Hz, podając jednocześnie pojedyncze impulsy TMS w czasie rzeczywistym, oddzielone losowymi odstępami czasu od trzech do pięciu sekund.

Na przykład możemy wykazać wzrost amplitud potencjałów blokowania motorycznego podczas stymulacji TCS z częstotliwością 20 Hz w porównaniu do stymulacji 10 Hz lub stymulacji pozornej. Na tym zdjęciu widoczny jest przykład projektu eksperymentalnego, w którym cewka TMS jest umieszczona nad docelową elektrodą TCS. Docelowe czerwone elektrody w tym eksperymencie są umieszczone na lewej korze motorowej i prawej korze ciemieniowej.

Niebieską elektrodę odniesienia umieszcza się na linii środkowej odpowiadającej pozycji PZ międzynarodowego systemu EEG 10-20. Cewkę utrzymuje się na elektrodzie gąbkowej umieszczonej nad lewą korą ruchową. Adresowana ludzka kora ruchowa wykazuje aktywność na poziomie około 20Hz.

Współpracownicy dostarczyli kluczowych dowodów na występowanie aktywności 20 Hz w stanie spoczynku u ludzi, wykazując wzrost pobudliwości korowo-rdzeniowej w czasie rzeczywistym podczas stymulacji z częstotliwością 20 Hz. Na wykresie oś Y przedstawia średnią amplitudę MEP mierzoną za pomocą pojedynczego impulsu TMS podczas trwającej stymulacji TCS. Oś X przedstawia różne częstotliwości stymulacji.

Jedynie TCS dostarczany z częstotliwością 20 Hz na korę ruchową zwiększył sygnał wyjściowy korowo-rdzeniowy. Natomiast stymulacja z innymi częstotliwościami lub stymulacja kory ciemieniowej nie wywarły żadnego efektu. Był to pierwszy dowód na efekt specyficzny dla częstotliwości w czasie rzeczywistym, wywołany przez TCS w korze ruchowej i zmierzony za pomocą połączonego podejścia TACS i TMS.

Uzasadnienie połączenia zastosowania TMS i TACS opiera się na przekazywaniu przez te metody różnych informacji. Poprzez rejestrację potencjałów wywołanych ruchowo w dłoni przeciwległej do pierwotnej kory ruchowej możemy sprawdzić efekty trwającej TCS bez zakłóceń wynikających z artefaktów. Pozwala to na dokładne monitorowanie zmian w pobudliwości kory za pomocą potencjałów wywołanych ruchowo podczas stymulacji elektrycznej dostarczanej z różnymi częstotliwościami w sposób wolny od artefaktów.

To nowe podejście może zostać wykorzystane do badania bezpośredniego efektu dowolnych innych form przezczaszkowej stymulacji elektrycznej.