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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
a estimulação elétrica cerebral não invasiva pode modular a função cortical e comportamento, tanto para fins clínicos e de pesquisa. Este protocolo descreve diferentes abordagens estimulação cerebral para a modulação do sistema motor humano.
Não-invasivo de estimulação eléctrica do cérebro (NEB), é usado para modular a função cerebral e comportamento, tanto para fins de investigação e clínicos. Em particular, NEBS pode ser aplicada via transcraniana quer como estimulação de corrente contínua (ETCC) ou alternados de estimulação actual (TAC). Estes tipos de estimulação exercem tempo-, dose e, no caso de efeitos específicos de polaridade ETCC sobre a função motora e habilidade de aprendizagem em indivíduos saudáveis. Ultimamente, ETCC foi usado para aumentar o tratamento de deficiências motoras em pacientes com distúrbios de acidente vascular cerebral ou movimento. Este artigo fornece um protocolo passo-a-passo para a segmentação do córtex motor primário com ETCC e estimulação transcraniana ruído aleatório (TRNS), uma forma específica de TAC usando uma corrente elétrica aplicada aleatoriamente dentro de uma faixa de frequência pré-definida. A configuração de duas montagens de estimulação diferentes é explicado. Em ambas as montagens do eléctrodo emissor (o ânodo para ETCC) é colocado sobre o córtex motor primário de interesse. Paraestimulação do córtex motor unilateral receber o eléctrodo é colocada sobre a testa contralateral enquanto que para a estimulação bilateral córtex motor receber o eléctrodo é colocada sobre a frente do córtex motor primário. As vantagens e desvantagens de cada montagem para a modulação da excitabilidade cortical e função motora incluindo a aprendizagem são discutidos, bem como a segurança, tolerabilidade e os aspectos que causam cegueira.
Estimulação não-invasiva elétrica cerebral (NEBS), a administração de correntes elétricas para o cérebro através do crânio intacto, pode modificar a função cerebral eo comportamento 1-3. Para optimizar o potencial terapêutico de estratégias NEBS compreender os mecanismos subjacentes que levam a efeitos comportamentais e neurofisiológicos ainda é necessário. Padronização de aplicação em diferentes laboratórios e total transparência do procedimento de estimulação fornece a base para a comparabilidade dos dados que suporta interpretação confiável de resultados e avaliação dos mecanismos de ação propostos. A estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) ou transcraniana alternando corrente de estimulação (TAC) diferem por parâmetros da corrente eléctrica aplicada: ETCC consiste de um fluxo de corrente constante unidireccional entre dois eléctrodos (ânodo e cátodo) 2 - 6 TAC enquanto utiliza uma corrente alternada aplicada numafrequência específica 7. Estimulação transcraniana ruído aleatório (TRNS) é uma forma especial de TAC que usa uma corrente alternada aplicada em frequências aleatórias (por exemplo., 100-640 Hz), resultando em rápida diferentes intensidades de estimulação e remoção de efeitos relacionados com a polaridade 4,6,7. Polaridade só é relevante se a configuração de estímulo inclui uma estimulação offset, por exemplo, espectro de ruído aleatoriamente mudando em torno de um mA intensidade da linha de base +1 (normalmente não utilizada). Para efeitos deste artigo, vamos nos concentrar no trabalho usando ETCC e efeitos TRNS no sistema motor, seguindo de perto a recente publicação de nosso laboratório de 6.
Os mecanismos de acção subjacentes de trnS são muito menos entendida do que de ETCC mas provavelmente diferente do último. Teoricamente, no quadro conceitual de ressonância estocástica TRNS introduz ruído induzido pelo estímulo a um sistema neuronal que pode fornecer um benefício de processamento de sinal, alterando the sinal-ruído 4,8,9 proporção. TRNS pode predominantemente amplificar os sinais mais fracos e poderia, assim, otimizar a atividade cerebral de tarefas específicas (ruído endógeno 9). ETCC anódica aumenta a excitabilidade cortical indicada pela alteração da taxa de disparo neuronal espontânea 10 ou aumento do potencial evocado motor (MEP) amplitudes 2 com os efeitos superando a duração estímulo para minutos a horas. aumentos de longa duração na eficácia sináptica conhecido como potenciação de longo prazo são pensados para contribuir para a aprendizagem e memória. Na verdade, ETCC anódica aumenta a eficácia sináptica de automóveis sinapses corticais repetidamente activados por uma fraca entrada sináptica 11. Em conformidade, a aquisição melhorou função motora / habilidade é sempre revelada somente se a estimulação é co-aplicado com treinamento motor 11 - 13, sugerindo também co-activação sináptica como pré-requisito deste processo dependente de atividade. No entanto, a causalidade entre o aumento em cexcitabilidade ortical (aumento da taxa de disparo de amplitude ou MEP) por um lado e melhorou a eficácia sináptica (PLP ou função comportamental, tais como aprendizagem motora), por outro lado não foi demonstrada.
NEBS aplicadas ao córtex motor primário (M1) tem atraído um interesse crescente como método seguro e eficaz para modular a função motora humana 1. Efeitos neurofisiológicos e resultado comportamental pode depender da estratégia de simulação (por exemplo, polaridade ETCC ou TRNS), tamanho do eletrodo e da montagem 4 - 6,14,15. Além de fatores anatômicos e fisiológicos sujeitas-inerente a montagem eletrodo influencia significativamente a distribuição de campo elétrico e pode resultar em diferentes padrões de corrente espalhando dentro do córtex 16-18. Além disso a intensidade da corrente aplicada ao tamanho dos eléctrodos determina a densidade de corrente entregue 3. montagens de eletrodos comumem estudos do sistema motor humano incluem (Figura 1): 1) como a estimulação anódica ETCC M1 unilateral com o ânodo colocado sobre o M1 de interesse e o cátodo posicionado na testa contralateral; a idéia básica dessa abordagem é sobre-regulação da excitabilidade no M1 de interesse 6,13,19 - 22; 2) ETCC anódica como estimulação M1 bilateral (também referido como estimulação "bihemispheric" ou "dupla"), com o ânodo colocado sobre o M1 de interesse e o cátodo posicionado no M1 contralateral 5,6,14,23,24; a idéia básica dessa abordagem é maximizar os benefícios da estimulação pela regulação positiva da excitabilidade no M1 de interesse, enquanto downregulating excitabilidade no M1 oposto (ou seja, a modulação da inibição inter-hemisférica entre os dois M1s); 3) Para TRNS, apenas o unilateral M1 estimulação montagem acima indicado foi Investigated 4,6; com este excitabilidade montage efeitos da TRNS reforço foram encontrados para o espectro de 100-640 Hz 4 frequência. A escolha da estratégia de estimulação cerebral e montagem eletrodo representa um passo fundamental para uma utilização eficiente e confiável de NEBS em ambientes clínicos ou de investigação. Aqui estes três procedimentos NEBS são descritos em detalhes como usado em estudos do sistema motor humano e são discutidos aspectos metodológicos e conceituais. Materiais para ETCC unilaterais ou bilaterais e unilaterais TRNS são os mesmos (Figura 2).

Figura 1. montagens de eletrodos e direção da corrente de estratégias NEBS distintas. (A) Para anodal unilateral transcraniana estimulação de corrente contínua (ETCC), o ânodo é centrada sobre o córtex motor primário de interesse e o cátodo posicionado sobre tele contralateral área supra-orbital. (B) Para estimulação do córtex motor bilateral, ânodo e cátodo estão localizados cada um mais de um córtex motor. A posição do ânodo determina o córtex motor de interesse para ETCC anódica. (C) Para a estimulação transcraniana ruído aleatório unilateral (trnS), um eléctrodo está localizado sobre o córtex motor e o outro eléctrodo através da zona supra-orbital contralateral. O fluxo de corrente entre os eléctrodos é indicado pela seta preta. Ânodo (+, vermelho), catodo (-, azul), corrente alternada (+/-, verde). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Declaração de ética: Estudos em humanos exigem o consentimento informado por escrito dos participantes antes da entrada no estudo. Obter a aprovação pelo comitê de ética relevantes antes de recrutamento de participantes. Fazer estudos certeza que estão em conformidade com a Declaração de Helsinki. Os resultados representativos aqui relatados (Figura 4) são baseadas em um estudo realizado em conformidade com a Declaração de Helsínquia alterada pela 59ª Assembléia Geral da WMA, Seul, outubro de 2008 e aprovado pelo Comitê da Universidade de Freiburg Ética local. Todos os indivíduos deram seu consentimento informado antes da entrada no estudo 6.
1. Triagem de Segurança
2. Motor Cortex Localization
3. NEBS Eletrodo Preparação
4. NEBS Colocação de eletrodos (Figura 1)

Figura 2. Os materiais utilizados para protocolos NEBS. Materiais convencionais utilizados em protocolos de estimulação cerebral elétrica não-invasivos incluem um dispositivo NEBS, cabos de força, eletrodos de borracha condutora, sacos de esponja perfuradas, capa de esponja de borracha (opcional), solução e ataduras isotônica de NaCl. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Estimulação
Para investigar os efeitos da NEBS sobre o sistema motor humano, é importante considerar medidas de resultados apropriados. Uma vantagem do sistema do motor é a acessibilidade das representações corticais por ferramentas electrofisiológicos. Motor potenciais evocados são frequentemente utilizadas como um indicador da excitabilidade cortical motor. Após a aplicação de 9 ou mais minutos de ETCC anódica, a uma densidade de corrente de 29 mA / cm 2, cortical do motor excitabilidade é aumentada para pelo menos 30 minutos na maioria dos voluntários saudáveis 19,21,22 (ver também a Figura 3). Catódica ETCC principalmente provoca o contrário (excitabilidade decrescente) ou nenhum efeito 19,22. No entanto, como discutido recentemente 22, existe alguma variabilidade na direcção de resposta, com alguns indivíduos que mostram o efeito de sentido inverso para anódica e catódica ETCC. Isto deve ser tomado em conta para o cálculo do tamanho da amostraem estudos utilizando NEBS. Curiosamente, as mudanças comparáveis em M1 excitabilidade foram encontrados após ETCC unilaterais e bilaterais 5,23 e simples função motora foi igualmente melhorado diretamente após cada tipo de estimulação 5. Por isso, é atualmente sob investigação se a regulação negativa adicional de excitabilidade do M1 contralateral utilizando a montagem bilateral M1 exerce benefícios específicos para o comportamento motor (ver abaixo). Em contraste, o estado de repouso fMRI indicou claramente diferentes alterações na rede cortical: ETCC bilateral modula conectividade funcional no motor primário e secundário e em áreas pré-frontais, enquanto unilateral ETCC modula a conectividade funcional em pré-frontal, parietal e áreas cerebelar 34.
TRNS tem apenas recentemente desenvolvido como uma ferramenta para modular a excitabilidade cortical 4. Devido à alternância trnS corrente é aplicada sem especificidade polaridade (desde que hajanão é compensado de intensidade de estimulação). No entanto, a eficiência de TRNS parece depender do espectro de ruído aplicada, com freqüências elevadas (100-640 Hz) mostram efeitos mais robustas do que as frequências baixas (<100 Hz) 4. Quando comparados directamente para ETCC anódica unilaterais, um aumento semelhante, mas ligeiramente mais duradouro do M1 excitabilidade (medida pelas alterações de amplitude MEP) foi encontrado após trnS unilateral (Figura 3).

Figura claro 3. Tempo de excitabilidade cortical motora após diferentes estratégias de NEBS. A amplitude MEP é mostrado como uma função do tempo, antes e após 10 min de anodal unilateral estimulação transcraniana direto (ETCC) ou transcraniana estimulação ruído aleatório (TRNS) aplicada ao primário córtex motor a uma densidade de corrente de 29 mA / cm 2 (1 mA / 35 cm 2). As barras de erro indicade o erro padrão. Note-se que TRNS exerce efeitos semelhantes sobre a excitabilidade cortical do motor em comparação com ETCC anódica. MEP amplitude retorna aos níveis basais após cerca de 50 min para ETCC anódica e depois de 90 min para TRNS. De Terney et al. (2008) 4, com permissão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Apesar da heterogeneidade dos desenhos de estudo, um conceito comum começa a evoluir a partir de ensaios NEBS testando os efeitos da ETCC e TRNS na função motora: NEBS influencia o desempenho do motor ou habilidades quando aplicada simultaneamente com a formação / teste. ETCC anódica e TRNS aplicado como estimulação M1 unilateral ou ETCC anódica aplicadas como a estimulação bilateral M1 durante o treinamento foram todos mostrado para melhorar a seqüência motora implícito aprender 4,35 - 38 no Reacti de sériena tarefa de tempo de 39. Da mesma forma, ETCC anódica unilaterais aplicadas durante treinamento motor foi mostrado para aumentar a taxa de aprendizagem em um paradigma de aprendizagem motora explícita 40. No entanto, os efeitos da estimulação catódica na aprendizagem motora implícito e explícito parecem ser diferentes: enquanto ETCC catódica durante o treinamento não afetou significativamente sequência de aprendizado durante a aprendizagem motora implícito 35, foi relatado para afetar negativamente a motor explícita aprendizagem 40. As razões para esta discrepância necessitam de mais pesquisas.
Em investigações anteriores sobre a habilidade motora mais complexa de aprendizagem ao longo de vários dias ETCC anódica aplicadas como a estimulação M1 unilateral durante o treinamento de habilidade visuomotor significativamente reforçada aprendizagem 13,20. Habilidade foi determinada por alterações na precisão de movimento como uma função da velocidade de movimento (ou seja, a velocidade-exactidão-troca). Surpreendentemente, numa comparação directa de montagens de eletrodos e tipos de estimulação, tanto unilaterais e M1 bilateral ETCC anódica e TRNS unilaterais toda a habilidade reforçada aprendizagem em uma palavra visuomotor e carta de rastreamento tarefa 6 (Figura 4A). No que diz respeito aos mecanismos, é actualmente desconhecido se ETCC e trnS operar pelos mesmos mecanismos de acção. No entanto, o tempo de ganhos de qualificação no interior sessão claramente diferiu entre ETCC e TRNS: ETCC unilaterais exercido efeitos importantes sobre ganhos de habilidades imediatamente após a estimulação iniciados. Em contraste, ETCC bilaterais e trnS lentamente aumentada ganhos de habilidade durante as sessões (Figura 4B). Esta divergência aponta para temporalmente interações específicas entre o tipo NEBS e do processo de aprendizagem motora. Isto deve ser considerado ao escolher tipos de estimulação para investigações futuras do sistema motor em indivíduos saudáveis, bem como pacientes com distúrbios neurológicos.
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Figura 4. Melhoria da habilidade motora através da formação e aumento por diferentes estratégias de NEBS. Changes (A) em habilidade motora durante três dias de treinamento motor por grupo de estimulação. Habilidade aumenta significativamente ao longo do tempo no grupo de controle estimulação sham e é aumentada ainda mais por cada estratégia NEBS. Plot (B) Scatter de subcomponentes de aprendizagem motora. Todos os grupos de estimulação apresentar significativamente maior aprendizagem motora global, em comparação com o grupo controle estimulação sham. Apenas unilateral anodal transcraniana estimulação de corrente contínua (ETCC) revela maiores efeitos imediatos sobre a aprendizagem motora -. Ou seja, mudanças iniciais na habilidade após o início da estimulação, em comparação ao controle sham e estimulação transcraniana ruído aleatório (TRNS). DC: M1-SO = ETCC unilaterais. DC: M1-M1 = ETCC bilaterais. RN: M1-SO = TRNS unilaterais. * P <0,05, ** p <0,01. As barras de erro = erro padrão da média. De Prichard et al. (2014) 6, com permissão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm nada a revelar.
a estimulação elétrica cerebral não invasiva pode modular a função cortical e comportamento, tanto para fins clínicos e de pesquisa. Este protocolo descreve diferentes abordagens estimulação cerebral para a modulação do sistema motor humano.
MC e JR são suportados pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG RE 2740 / 3-1).
| Dispositivo NEBS (DC Stimulator plus) | Neuroconn | ||
| Cabos de eletrodo | Neuroconn | ||
| Eletrodos de borracha condutora | Neuroconn | 5x5 cm | |
| Sacos de esponja perfurados | Neuroconn | 5x5 cm | |
| Capa de esponja de borracha não condutora | Amrex-Zetron | FG-02-A103 | Almofada de borracha 3"*3" |
| Solução isotônica de NaCl | B. Braun Melsungen AG | A1151 | Ecoflac, 0,9% |
| Atadura de crepe de algodão | Paul Hartmann AG | 931004 | 8x5m, elasticidade têxtil |
| Fita adesiva (Leukofix) | BSN medical | 02122-00 | 2,5cm*5m |
| Pasta de preparação da pele | Weaver | 10-30 | |
| Estimulador magnético | Magstim | 3010-00 | Magstim 200 |
| EMG pasta condutora | GE Medical Sistemas | 217083 | |
| eletrodos bipolares EMG | , por exemplo, Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Amplificador EMG | , por exemplo, Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Cabo para transmissão de sinal EMG | , por exemplo, Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Unidade de aquisição de dados | Cambridge Electronic Design (CED) | MK1401-3 | Conversor AD |
| Computador para gravação de sinal e análise | offline | ||
| Signal 4.0.9 | Cambridge Electronic Design (CED) | Software | |
| marcador de pele não permanente | Edding | 8020 | 1 mm, azul |