Неинвазивная электрическая стимуляция мозга для модуляции активности двигательных нейронов человека

Аннотация

Источник: Курадо, М. и др., Неинвазивные монтажи электрической стимуляции мозга для модуляции моторной функции человека. J. Vis. Exp. (2016)

В этом видео демонстрируется настройка и механизм транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS) для модуляции двигательной функции человека. При размещении анода над первичной моторной корой и катода над контралатеральной надглазничной областью, целенаправленная электрическая стимуляция увеличивает возбудимость коры головного мозга, повышая активность моторных нейронов и улучшая двигательные функции.

Протокол

Все процедуры с участием людей были выполнены в соответствии с институциональными, национальными и международными руководящими принципами по благополучию человека и были рассмотрены местным институциональным наблюдательным советом.

1. Скрининг безопасности

1. Проверьте участника на потенциальные противопоказания к неинвазивной стимуляции мозга, например, с помощью опросников.

2. Локализация моторной коры

головного мозга

1. Определите местоположение моторной коры кисти участника одним из двух различных подходов: определив мозговую репрезентацию исследуемой мышцы с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), индуцированной моторным потенциалом (MEP), или определив стандартное положение первичной моторной коры (M1) (C3/C4) на основе международной системы электроэнцефалограммы (ЭЭГ) 10/20 с помощью измерительной ленты.
2. Для записи MEP, вызванной ТМС, попросите участника удалить все объекты, которые могут подвергаться воздействию магнитного поля ТМС, включая кредитные карты, мобильные телефоны и металлические предметы в целом.
3. Попросите участника сесть поудобнее.
4. Проверьте соединения между усилителем электромиографии (ЭМГ) и компьютером, используемым для настройки и сбора сигнала при использовании программного интерфейса.
5. Включите усилитель ЭМГ и подключите кабели электродов ЭМГ.
6. Очистите кожу участника, мягко потирая пастой для подготовки кожи в тех областях руки, где будут размещены электроды. Удалите излишки с помощью чистой марлевой салфетки.
7. Прикрепите поверхностные электроды ЭМГ в монтаже сухожилий живота к интересующей мышце кисти (например, M. abductor pollicis brevis правой руки) и подключите заземляющий электрод (например, на предплечье). Цель исследования — определить, какую мышцу руки следует использовать.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для многоразовых электродов необходимо нанести небольшое количество проводящей пасты на поверхность электрода перед его прикреплением к коже участника.
8. (необязательный шаг) Запустите программное обеспечение для записи данных MEP, если требуется хранение данных MEP.
9. Проверьте значения импеданса ЭМГ. Убедитесь, что импеданс составляет < 20 кОм.
10. Включите магнитный стимулятор и зарядите конденсатор, нажав соответствующую кнопку «зарядка».
11. Поместите катушку ТМС в форме восьмерки на кожу головы участника в межполушарную щель и переместите ее в область моторной коры (вокруг положений С3/С4 международной системы ЭЭГ 10/20). Держите катушку TMS под углом 45°-50° относительно межполушарной щели, при этом ручка направлена назад, создавая поток кортикального тока от задней к передней.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для локализации моторной коры используются две различные катушки TMS: восьмерка или круглая катушка. По возможности используйте катушку в виде восьмерки, так как она обеспечивает более фокальную стимуляцию мозга и большую достоверность измерений возбудимости коры головного мозга.
12. Когда магнитный стимулятор заряжен (отображается на дисплее), разрядите его либо нажатием спусковой кнопки, либо нажатием на ножной переключатель, либо автоматически с помощью программного обеспечения. Впоследствии он будет подавать один импульс ТМС через подключенную катушку ТМС, размещенную над кожей головы участника. Стандартные настройки импульса ТМС (например, время нарастания индуцированного тока 100 мкс и время затухания 800 мкс для монофазных стимулов; более короткое время затухания для двухфазных стимулов) зависят от устройства (прошивки).
13. Начните с низкой интенсивности стимуляции (например, установите интенсивность на 45% выходной мощности с помощью ручки регулятора интенсивности стимуляции на стимуляторе) и следите за MEP, видимыми на усилителе EMG.
    1. Если MEP не виден, увеличивайте интенсивность стимуляции с шагом 2-5% до тех пор, пока MEP не станет явным (например, амплитуда 0,5-1 мВ). Повторите стимуляцию, нажав кнопку-триггер или активировав ножной переключатель, если подача импульсов не автоматизирована. Сообщите участнику, что стимуляция будет немного сильнее и что ожидаются движения конечностей, подергивание лица и моргание глаз.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Установите минимальный интервал в 5 секунд между импульсами, чтобы избежать влияния низкочастотной стимуляции на возбудимость мозга.
14. Переместите катушку радиально с шагом 1 см вокруг первоначально стимулированного участка, чтобы найти точку с наибольшим откликом MEP после применения одиночных импульсов TMS. Оттуда снова начните перемещать катушку, чтобы закрепить "горячую точку" (область коры головного мозга с максимальной амплитудой MEP).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Использование колпачка для головы (например, используемого для маркировки сетки) для процедуры локализации не рекомендуется, так как колпачок необходимо снять для размещения электродов неинвазивной электрической стимуляции мозга (NEBS), и положение горячей точки может быть потеряно.
15. Уменьшите интенсивность стимуляции примерно на 2% с помощью ручки регулятора интенсивности стимуляции на стимуляторе (MEP все еще должен присутствовать). Это позволит избежать неточностей из-за сверхмаксимальной стимуляции. Подтвердите хотспот, переместив катушку радиально с шагом 1 см вокруг хотсот и проверив размер MEP. Горячая точка должна по-прежнему соответствовать наибольшей и наиболее постоянной амплитуде MEP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Попросите участника добровольно сократить интересующую мышцу, если горячую точку трудно найти (например, при высокой интенсивности стимуляции отсутствует MEP). Таким образом, интенсивность стимуляции, необходимая для возникновения MEP, снижается, и может быть легче идентифицировать соответствующие участки корковой стимуляции. Если используется этот метод, попросите участника расслабить мышцу после нахождения подходящего места стимуляции и отрегулируйте интенсивность стимуляции таким образом, чтобы можно было найти надежные МЭП, когда мышца находится в состоянии покоя. Перейдите к поиску точки доступа.
16. Отметьте положение горячей точки и ориентацию катушки непостоянным маркером кожи.
17. Для двусторонней стимуляции М1 повторите шаги с 2.11 по 2.16 для контралатеральной конечности.

3. Подготовка электродов NEBS

1. Подключите кабели к резиновым электродам и поместите электроды внутрь губчатых мешков. Убедитесь, что размер электрода и размер губчатого мешка совпадают. Материалы коммерчески доступны в стандартных размерах (например, 5x5 см², 5x7 см²).
2. Пропитайте губчатые мешочки с обеих сторон изотоническим раствором хлорида натрия (NaCl), но избегайте чрезмерного замачивания, чтобы предотвратить образование солевых мостиков или попадание капель на добровольца.
   1. Этот шаг необязателен: Чтобы предотвратить утечку раствора NaCl при использовании бинтов вместо резиновых лент, поместите электроды и губчатые пакеты внутрь непроводящих резиновых губчатых чехлов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы, покройте резиновый электрод проводящей пастой и поместите его прямо на голову участника, т.е. не используя губчатые мешки или резиновые губчатые чехлы.

4. Размещение электродов NEBS (Рисунок 1)

1. Найдите маркировку (метки) на голове, указывающую на моторную кортикальную горячую точку, и отделите волосы вокруг этой области.
2. Для улучшения проводимости очистите кожу перед установкой электрода, аккуратно потирая участок кожи вокруг маркировки головы тампоном, смоченным в 40-50% спирте или пасте для подготовки кожи. Не чешите кожу! Удалите излишки тампоном и снова очистите участок изотоническим раствором NaCl. После этого вытрите эту область.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что отметины на голове остаются видимыми; При необходимости сделайте замечание.
3. Поместите один электрод после маркировки головки для интересующей М1 (контралатерально интересующей руке). Максимально приблизите губку к непосредственному контакту с кожей. Расположите кабель электрода ближе к спине участника, чтобы избежать помех во время стимуляции и/или выполнения задания, а также облегчить подключение к устройству NEBS.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Волосы под электродом должны стать влажными. В случае чрезмерного увлажнения волос используйте бумагу или полотенца для рук для поглощения излишков.
   ПРИМЕЧАНИЕ: При анодном tDCS электрод, размещенный на интересующей горячей точке моторной коры головного мозга (желательно увеличение возбудимости), соответствует аноду, обычно подключенному к красному кабелю. Катод (обычно подключаемый к черному или синему кабелю) размещается на противоположной надглазничной области или М1 (см. ниже). Традиционно расстановка электродов одинакова для транскраниальной стимуляции случайным шумом (tRNS), хотя в классическом протоколе отсутствует специфичность полярности из-за протекания переменного тока. Конкретное размещение может быть важным, если настройки стимуляции включают смещение стимуляции.
4. Для односторонней стимуляции М1 второй электрод (для анодной tDCS: катод) расположен над контралатеральной надглазничной областью (соответствующей электроду Fp2 в международной системе ЭЭГ 10/20). Убедитесь, что кабель ориентирован в сторону спины участника.
5. Дважды накройте голову эластичным бинтом по кругу в медиолатеральном направлении, чтобы стабилизировать электрод M1, затем используйте оставшуюся повязку, чтобы накрыть голову по кругу в передне-заднем направлении, чтобы стабилизировать оба электрода.
6. Используйте клейкую ленту для фиксации конца бинта.
7. Закрепите кабели скотчем на шее или рубашке участника.
8. Подключите электродные кабели к устройству NEBS.

5. Переключатель

1. стимуляции на устройстве NEBS.
2. Отрегулируйте настройки устройства NEBS в зависимости от типа стимуляции (tDCS или tRNS), интенсивности (например, 1 мА, 1,5 мА или 2 мА), продолжительности (например, 10-40 минут), увеличения и уменьшения (время между началом стимуляции и максимальной интенсивностью, обычно 8-15 секунд) и дополнительных факторов, связанных с типом стимуляции (например, частотный спектр для tRNS).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Традиционно, фиктивная стимуляция включает в себя немедленное наращивание, за которым следует снижение. Соответственно, участник чувствует стимуляцию, но продолжительность стимуляции недостаточна для оказания длительного воздействия на функцию мозга. Некоторые устройства NEBS включают режим исследования, который позволяет ослепить участника и исследователя путем ввода кода предмета, специфичного для исследования. Код определяет настройки стимуляции автоматически. В качестве альтернативы, второй экспериментатор может устанавливать настройки стимуляции в каждом сеансе и закрывать дисплей от экспериментатора, проводящего стимуляцию.
3. Сообщите участнику о потенциальных побочных эффектах, связанных с NEBS. К распространенным побочным эффектам относятся кожный зуд/покалывание или ощущение жжения под электродами, головная боль и дискомфорт. Ощущение жжения может быть признаком плохого контакта электродов с кожей.
4. Начните стимуляцию.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обычная продолжительность стимуляции составляет примерно 10-20 минут на основании отчетов об изменениях возбудимости коры головного мозга (см. раздел репрезентативных результатов). Опытным путем максимальная продолжительность стимуляции была установлена равной 40 мин.
5. Проверьте непрерывность стимуляции во время наращивания и стимуляции. Если импеданс слишком высок или электроды плохо соприкасаются с кожей, стимуляция может быть прекращена автоматически.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В случае, если импеданс слишком высок или участник сообщает об увеличении дискомфорта во время стимуляции, попробуйте уменьшить импеданс, например, путем лучшей фиксации электродов в местах стимуляции или добавления проводящей среды. Раствор NaCl может быть добавлен с помощью шприца непосредственно в губки после их размещения на голове.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые устройства сообщают об импедансе на протяжении всей стимуляции по соображениям безопасности. Устройство NEBS может отключиться, если импеданс достигнет определенного порога (например, 55 кОм).

Результаты

Рисунок 1. Монтаж электродов и направление тока для различных стратегий NEBS. (А) Для односторонней анодной транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS) анод центрируется над первичной моторной корой, представляющей интерес, а като...

Материалы