Summary
经颅交变电流刺激 (可) 允许以频率特异的方式调节皮质兴奋性。在这里, 我们展示了一个独特的方法, 结合在线可与单脉冲经颅磁刺激 (TMS), 以 "探针" 皮层兴奋性的手段, 电机诱发电位。
Abstract
经颅交变电流刺激 (可) 是一种促进技术, 能够在特定频率下通过正弦电波形, 进而调节正在进行的皮层振荡活动。这 neurotool 允许建立内在振荡活动和行为之间的因果联系。大多数的可研究显示了可的在线效果。然而, 由于在脑电图 (eeg) 信号上交流诱发的伪影, 这项技术的基本作用机制知之甚少。在这里, 我们展示了一个独特的方法来调查的在线生理频率特异性的影响, 可的原发性运动皮质 (M1) 使用单脉冲经颅磁刺激 (TMS), 以探测皮层兴奋性变化。在我们的设置, TMS 线圈是放置在可电极, 而电机诱发电位 (欧洲议员) 收集测试的影响, 正在进行的 M1-tACS。到目前为止, 这种方法主要用于研究视觉和马达系统。然而, 目前的可-TMS 设置可以为未来的认知功能研究铺平道路。因此, 我们提供了一个 step-by 步骤的程序手册和视频指南。
Introduction
经颅电刺激 (工商业污水附加费) 是一种促进技术, 允许通过不同的电流波形改变神经元状态1。在不同类型的工商业污水附加费中, 经颅交流刺激 (可) 能够在特定频率范围内传递正弦外部振荡电位, 并对知觉的生理神经活动进行调制,马达和认知过程2。使用可, 可以研究内源性振荡活动与脑过程之间的潜在因果关系。
在体内, 已经表明, 在不同的驱动频率下, 脉冲神经活动是同步的, 这表明神经元放电可以通过电应用的领域3。在动物模型中, 微弱的正弦可拽了广泛皮质神经元池的放电频率4。在人类, 可结合在线脑电图 (EEG) 允许诱导的 so-called "夹带" 效应的内源性振荡活动的互动与脑振荡的频率特定的方式5。然而, 由于交流诱发的工件6, 将可与神经影像方法结合以更好地了解在线机制仍然是值得商榷的。此外, 不能直接在受激靶区上记录 EEG 信号而不使用环形电极, 这是一个可疑的解决方案7。因此, 对这个问题缺乏系统性的研究。
到目前为止, 还没有明确的证据表明可在刺激停止后的持久作用。仅有少数研究显示了可在马达系统上的微弱和不明确的后遗症8。此外, EEG 证据仍然不清楚可的后遗症9。另一方面, 大多数可研究显示突出的在线效果10,11,12,13,14,15,16,17,18, 由于技术上的限制, 很难在生理水平上进行测量。因此, 我们的方法的总目标是提供一种替代方法, 以测试在线和频率依赖性的影响可的运动皮层 (M1) 通过提供单脉冲经颅磁刺激 (TMS)。TMS 允许研究员 "探针" 人体运动皮层的生理状态19。此外, 通过记录运动诱发电位对对侧的手, 我们可以调查的影响, 正在进行的可11。这种方法让我们可以通过在不同频率的在线电刺激中以无工件的方式来测量脊髓兴奋度的变化, 从而精确地监测其改变。此外, 此方法还可以测试任何其他附加的波形的在线效果。
为了证明联合可-TMS 的效果, 我们将通过应用20赫兹 AC 刺激的主要运动皮层 (M1), 而在线 neuronavigated 单脉冲 tms 提供穿插随机间隔从3到 5 s, 以测试 M1皮质兴奋性。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
所有程序均由莫斯科高等经济学院 (HSE) 地方研究伦理委员会批准, 并征得所有与会者的同意.
注意: 参与者必须报告未植入的金属设备、神经或精神疾病、药物滥用或酗酒史。TMS 根据最新安全指南使用 20 。必须充分了解研究的性质, 并在开始实验前签署知情同意书。我们展示了一整套的设备, 运行在线组合可-TMS 协议的主要 M1 的刺激 ( 图 1 ;材料表).
1. 将肌电图 (肌电信号) 电极置于双极型腹部肌腱蒙太奇中
- 使用所有电极下的清洁擦洗清洁皮肤, 以实现低皮肤阻抗 (低于 10 kOhm).
- 将活动肌电图电极放置在第一个背侧骨间 (FDI) 肌肉上, 上部为2厘米的骨骼上的参考电极, 而地面电极则更接近于手臂的下部.
2。确定刺激协议的目标
注意: 在这里, 我们使用无框 tms 导航系统来实现 tms 线圈的正确定位.
- 将跟踪传感器放置在眉毛和参与者鼻子上方的眉之间.
- 打开导航系统软件。使用个人参与者和 #39; 结构 T1 磁共振成像 (mri) 数据, 并通过导航系统执行 co-registration 的参与者和 #39 的头部和 3D mri 头部.
- 准确地, 把线圈放在主电机的手区域, 所谓的和 #34; 电机旋钮和 #34; 区域 ( 图 2 ).
- 开始应用单脉冲 TMS 和测试欧洲议员;TMS 由刺激器交付 (参见 材料表 ) 连接到一个标准图--八75毫米卷。定位 #34; 热点与 #34; 左侧 M1, 将线圈切线与头皮保持在一起, 手柄向后和侧面, 角度在45和 #176; 从参与者和 #39 的中线矢状轴; 头部.
- 一旦出现热点 ( 即, 在从对侧检测到的手部肌肉的阈值中引出了欧洲议员的头皮点), 就用铅笔标记它以方便可靶电极的应用.
3. 可电极准备
- 连接2表面盐水浸泡过的海绵电极 (大小: 5 cm x 7 厘米) 到刺激装置, 它可以产生电交流电流 ( 例如, Brainstim).
- 为了最大限度地减少皮肤的感觉, 不断饱和的电极与盐水溶液, 以保持阻抗低于 10 kOhm 整个刺激环节.
4. 可协议设置
- 使用刺激器设备设置可协议, 首先检查电池状态.
- 使用该软件, 打开一个新的会话并管理新的刺激协议.
- 命名协议 ( 例如, 和 #34; 测试版和 #34;).
- 设置刺激的频率 ( 例如, 20 Hz).
- 选择波形 ( 例如, 正弦).
- 设置刺激协议的总持续时间 ( 例如, 600s).
- 最后, 设置刺激的强度 (例如, 1 mA), 设置偏移量, 淡入淡出, 淡出, 并在和 #34 的阶段; 0 和 #34;.
注: 为了避免任何不利或不舒服的感觉神经效果, 可以建议在刺激 (三十年代左右) 的时间内逐渐消退. - 激活设备和 #39; #34; 蓝牙和 #34; 功能并将协议从软件上传到刺激器.
5. 可电极蒙太奇
- 将 #34; 目标和 #34; 电极在头皮上对应的标记点。将 #34、参考和 #34; 在同侧肩部的电极上使用特定的粘胶带, 在和 #34; 单蒙太奇和 #34; 21 .
- 小心调整头上的第一个弹性带, 相对于神经导航头-传感器位置。然后, 用第二条皮带固定目标电极位置.
- 一旦可电极放置在头皮和同侧肩上, 将它们连接到刺激器.
- 在刺激期开始前, 通过目视检查确保目标电极的位置集中在已标记的热点上.
6。确定静止马达阈值 (RMT)
- 将 TMS 线圈置于目标可电极上, 并通过使用神经导航系统仔细调整热点 ( 图 3 ) 上的线圈位置.
- 相应地测量 RMT 到组合的可-tms 设置 ( 即, tms 线圈在电极)。具体来说, 调整 TMS 强度与可电极的厚度有关, 以检查一个可靠的 RMT.
- 单独测量 RMT, 它被定义为在外国直接投资肌肉中诱导一个 50 mV (峰) 在 5 10 试验中的振幅的最小强度, 22 .
- 在 RMT 的110% 处设置 TMS 刺激的强度以启动实验会话.
7. 实验过程
- 打开肌电信号软件并启动肌电信号记录.
- 启动可刺激.
- 在刺激过程中, 将由随机间隔所散布的 TMS 单脉冲从3秒到5秒钟.
- 确保每个刺激的会话 (例如, 20 赫兹可刺激, 后跟一个假/另一个控制频率) 持续不超过90秒, 以闭会间隔约3分钟, 以避免可能的结转效果前面的刺激频率/情况 11 , 13 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
2010年, 金井et al.显示了可/TMS 组合方法的第一个证据。在这项研究中, 作者应用可在初级视觉皮层 (V1), 并显示了一个频率特异的调节视觉皮层兴奋性测量的在线 TMS 诱导的 phosphene 知觉15。在 2011年, 通过 Feurra et al.对运动皮层兴奋性进行生理调节, 采用了更完善的协议版本。为了这样做, 这些作者在单脉冲 TMS 期间记录了欧洲议会议员, 而正在进行的可交付 (图 4)。作者报告了第一个因果证据的可能夹带20赫兹刺激的内源性怠速β M1 通过提高脊髓输出相对于其他控制频率, 控制站点 (顶叶刺激) 和控制实验 (周围尺神经实验)11 (图 5)。
在随后的一项研究中, Feurra 和合作者表明, 可的影响不仅是频率, 而且是依赖于状态的13。通过使用相同的联合蒙太奇, 可被应用在 M1 在两种不同的条件下: 休息和运动图像 (主题被要求想象捏紧动作)。根据先前的结果11, 只有 Beta 刺激 (20 hz) 在静止时增强了初级运动皮层的兴奋性, 而在运动图像任务中, 在θ (5 hz) 和α (10 hz) 刺激期间, 增强效应是显著的。这代表了第一个生理证据的国家依赖的影响, 由可。
到目前为止, 这种联合接触已经被用来进一步研究运动皮层 (表 1) 的功能。Guerra 和合作者应用可-TMS, 使用类似的方法, 以显示如何特定的神经元电路反应的刺激提供电机频率 (20 赫兹) 和机动车共振频率 (7 赫兹)。他们表明, 20 Hz 刺激取消了胆碱能 short-latency 传入抑制 (西) 的影响, 无论刺激的阶段。有趣的是, 谷氨酸皮质促进 (ICF) 和 GABAAergic 近皮质抑制 (SICI) 的变化是特定于阶段的23。
图 1:同时可刺激所需材料的列表.盐水溶液, 控制装置, 松紧带, 海绵 (可), 可电缆电线和电极, 注射器, 粘胶带。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 可-TMS 协议中的神经导航.红十字会表示, 一个记忆中的 TMS 热点的主要运动皮层。重叠的白色十字表示在协议期间的 TMS 线圈的在线定位, 作为正确方向的标志。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 可-TMS 在主题的头皮上.TMS 线圈必须放置在目标可电极上。研究者应根据热点的神经导航坐标保持线圈的位置。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4:通过使用在线可-TMS 方法进行实验设计的示意图表示.(a) 红色 ("靶") 电极放置在头皮上, 覆盖左侧运动皮质和右顶叶皮质 (P4 10-20 国际脑电图系统的位置)。蓝色 ("参考") 电极放置在与 PZ (10-20 国际脑电图系统) 位置对应的中线 (双极/头蒙太奇)。注意, 当前建议的参考电极放置在同侧肩部 (单蒙太奇), 而 P4 则用作控制位置。(b) Neuronavigated TMS: 线圈是在海绵电极上放置在左 M1。彩色三角形表示从精确目标的线圈位移的在线反馈, 公差为 2 mm (此图已从 Feurra et al., 2011)11中修改。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 具有代表性的结果.(a) 通过不同实验条件获得的平均对数变换的机电振幅 (误差线表示标准误差) 值 (原始数据)。只有可提供的 beta 范围 (20 赫兹) 在电机皮层增加脊髓输出与所有其他条件 (基线, 5 hz, 10 hz, 40 hz, 和 20 hz 的顶叶皮质)。星号 (*) 表示20赫兹刺激对所有其他条件的显著差异。(b) 百分比变化与原始机电振幅值的基线 (此图已从 Feurra et al.、 2011)11中修改。请单击此处查看此图的较大版本.
| 作者 | 任务 | 频率 | 强度 |
表 1: 可在不同条件下对初级运动皮层的影响.频率, 强度, 皮质部位的刺激和结果。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
这种方法是一个独特的机会, 直接测试可的在线效果, 通过测量脊髓输出通过欧洲议会议员记录的初级运动皮层。然而, TMS 线圈在可电极上的位置是一个关键的步骤, 应该准确地执行。因此, 我们首先建议实验者通过单脉冲 TMS 找到一个目标点, 然后将它标记在头皮上, 并在那之后, 将可电极放在热点上。此外, 一个神经导航系统的可用性, 关键支持一个最佳的目标点的定位, 单脉冲 TMS。在启动过程之前, 请确保参与者没有任何禁忌症24和 TMS20。
此外, 在 TMS 线圈下的可电极的厚度和位置可导致不同的 RMT 在标准工序。因此, 当 TMS 线圈已经位于可电极上时, 测量 RMT 是很重要的。
TMS-可在线方法代表了技术进步为基础研究和临床应用。由于大多数可的证据表明, 效果是突出的期间, 而不是停止后的刺激, 这种方法可能是有用的测试在线受益频率特异性的影响患者的运动疾病, 如必要的震颤,肌张力障碍, 帕金森氏症, 和其他运动疾病。
到目前为止, 这种联合的方法被用来调查马达和视觉皮层过程11,15。然而, 可本身被证明是一个可靠的技术, 以提高认知功能, 如内存和决策14,16,25,26,27。将来, 通过操纵不同的频率和靶向不同的皮层区域, 将重复 TMS (刺激) 与可结合起来的可能性可能有助于研究 so-called "neuroenhancement" 的机制。同样, 它已经表明, 可与图案的 TMS 协议, 如连续的θ脉冲刺激 (cTBS) 的组合, 导致了增强的可塑性效果, 只有当 cTBS 应用在阶段与峰值的可强制激活28. 此外, 虽然刺激被用作临床工具, 但它与可的结合可能导致新的临床方法的发展康复。
虽然这篇文章的重点是刺激 M1, 其他皮层地区可能是针对使用这种组合的方法。然而, 只有对人的马达系统的刺激可能导致可测量的马达诱发电位 (欧洲议员) 记录从对侧侧的肌肉在代表一个复合信号从系列降皮质-脊椎截击与不同的生成器29。另一方面, 其他电极部署可能会提供不同的机会来调查在线半球效果, 使用伴随的双边可在左, 右 M1 与脉冲 TMS。此外, 通过测量反应时间 (RT) 和准确度, 在线可-TMS 方法可用于针对不同皮层区域的行为任务。一方面, 可-TMS 方法提供了一种无工件的方法来研究人体运动功能;另一方面, 可脑电的方法可以为研究不同认知过程的神经相关性提供更多的可能性, 目标是多种皮层区域, 但仍然有更多的工件在信号记录里面。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了俄罗斯科学基金会的资助 (合同号: 17-11-01273)。特别感谢安德烈 Afanasov 和来自电视技术多功能创新中心的同事 (国立研究大学, 经济学院, 莫斯科, 俄罗斯联邦) 的视频录制和视频编辑。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BrainStim, high-resolution transcranial stimulator | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-BRAINSTIM | |
| Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodes | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-CVBS15 | |
| Reusable conductive silicone electrodes 50x50mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG970/2 | |
| Reusable spontex sponge for electrode 50x100mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG916S | |
| Rubber belts – 75 cm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-ER-PG905/8 | |
| Plastic non traumatic button | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG905/99 | |
| Brainstim | E.M.S., Bologna, Italy | ||
| MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulator | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0731 | |
| 8-shaped coil MC-B65-HO-2 | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0462 | |
| Chair with neckrest | MagVenture, Farum, Denmark | 9016B0081 | |
| Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium edition | Localite, GmbH, Germany | 21223 | |
| Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi) | Localite, GmbH, Germany | 10226 | |
| MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1 | Localite, GmbH, Germany | 5221 | |
| Electrode wires for surface EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| Surface Electrodes for EEG/EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| BrainAmp ExG amplifier - bipolar amplifier | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| BrainVision Recorder 1.21.0004 | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Company, USA | ||
| Syringes | |||
| Sticky tape | |||
| NaCl solution |
References
- Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
- 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).
- Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
- Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
- Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
- Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
- Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527 (2016).
- Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
- Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311 (2015).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
- Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
- Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
- Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090 (2015).
- Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
- Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
- Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54 (2015).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
- Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
- Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39 (2012).
- Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
- Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).
