Транскраниальная постоянного тока Стимулирование и синхронный Функциональная магнитно-резонансная томография

Summary

Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга. Она успешно используется в области фундаментальных исследований и клинических условиях, чтобы модулировать функцию мозга у людей. Эта статья описывает реализацию ТОК и одновременное функциональную магнитно-резонансную томографию (МРТ), чтобы исследовать нейронную основу ТОК эффектов.

Abstract

Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга, которая использует слабые электрические токи в ведении к коже головы, чтобы манипулировать возбудимости коры и, следовательно, поведение и функции мозга. В последнее десятилетие, многочисленные исследования обратились краткосрочные и долгосрочные последствия ТОК на разных мер поведенческой производительности во время моторных и когнитивных задач, как у здоровых людей, и в ряде различных групп пациентов. До сих пор, однако, мало что известно о нейронных основ ТОК-акции у людей в отношении крупномасштабных сетей головного мозга. Этот вопрос можно решить путем объединения ТОК с функциональными методов визуализации головного мозга, как функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) или электроэнцефалографии (ЭЭГ).

В частности, МРТ является наиболее широко используется метод визуализации мозга, чтобы исследовать нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции. Applicatiна из ТОК во время МРТ позволяет анализ нейронных механизмов, лежащих в основе поведенческих ТОК эффекты с высоким пространственным разрешением по всей мозга. Последние исследования с использованием этого метода определены стимуляции индуцированные изменения в функциональной активности мозга задач, связанных в месте стимуляции, а также в более отдаленных областях мозга, которые были связаны с поведенческой улучшения. Кроме того, ТОК ведении во время отдыха-государственного МРТ позволило идентифицировать распространенных изменений в целом мозга функциональной связности.

Будущие исследования, использующие этот комбинированный протокол должен привести к новому пониманию механизмов ТОК действия в норме и патологии и новые возможности для более целенаправленного применения ТОК в области исследований и клинических условиях. Настоящий рукопись описывает эту технику нового в шаг за шагом моды, с акцентом на технические аспекты ТОК вводимых во МРТ.

Introduction

Транскраниальной постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга, в котором корковый функционирование модулируется с помощью слабого электрического тока (обычно 1-2 мА) прогнозируемого между двумя скальпа-прикреплены электроды. Физиологически, ТОК индуцирует полярности зависит от сдвига в нейронной мембранный потенциал покоя (RMP) в рамках реализации Целевой зоны коры головного мозга через манипуляции натриевых и кальциевых каналов, тем самым способствуя изменения в возбудимости коры ^1. В частности, анодной стимуляции (atDCS) было показано, увеличить активность коры через деполяризации нейронов RMP в то время как катодная стимуляция (ctDCS) снижает возбудимости коры ^2. По сравнению с другими типами стимуляции мозга (например, транскраниальная магнитная стимуляция) безопасность была хорошо известна и до сих пор никаких серьезных побочных эффектов не поступало даже в уязвимых групп населения ^{3, 4.} Кроме того, по крайней мере для лоинтенсивности WER стимуляции (до 1 мА), эффективным плацебо («ложное») состояние стимуляция существует ^5, что позволяет эффективное ослепление участников и следователей к условиям стимуляции, оказание ТОК привлекательный инструмент в экспериментальных и клинических научных исследованиях.

Многочисленные исследования до сих пор показали, что эти изменения в возбудимости коры может привести к поведенческим модуляций. В двигательной системы, последовательные полярности зависимые эффекты были зарегистрированы ^{1, 6} для обоих atDCS и ctDCS. В когнитивных исследований, большинство исследований, которые нанимали atDCS для повышения когнитивных функций сообщил благотворно влияет на производительность ^7, в то время как ctDCS часто не повлечь за собой снижение когнитивных процессов. Последнее может быть объяснено большей избыточности нейронных вычислительных ресурсов, лежащих в основе познания ^6. Большинство исследований ТОК использовали перекрестный дизайн для изучениянепосредственное воздействие стимуляции, которые переживут прекращение ток только в течение коротких периодов времени ^1. Тем не менее, было высказано предположение, что повторные воздействия стимуляции на синтез белка, т.е. нейронной механизм, лежащий приобретения навыков ^8. Действительно, двигатель или когнитивных успех обучения может быть повышена в сочетании с повторными ТОК сессий и долгосрочная стабильность этих улучшений, как сообщается, длиться до нескольких месяцев у здоровых взрослых ^8-10. Такие результаты также вызвал интерес к использованию ТОК в клинических условиях и предварительные данные позволяют предположить, что он также может быть полезна в качестве основного или адъюнкт подхода к лечению в различных клинических групп ^3. Тем не менее, в то время как относительно большое количество исследований на имя нейрофизиологические эффекты ТОК в системе двигателя, мало известно о лежащих в основе нейронных механизмов ТОК воздействия на когнитивные функции мозга в норме и патологии.Лучшее понимание механизма действия ТОК является необходимым условием для более целенаправленной применения ТОК в области исследований и клинических условиях.

Этот вопрос можно решить путем объединения ТОК с функциональными методов визуализации головного мозга, таких как электроэнцефалография (ЭЭГ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ). Большинство исследований, изучающих нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции выбрали использовать МРТ ^11. В частности, МРТ является наиболее широко используется метод визуализации мозга, чтобы исследовать нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции ^11. Кроме того, в сочетании с одновременным применением ТОК, МРТ позволяет изучение нервных механизмов, лежащих в основе поведенческих эффектов ТОК с более высоким пространственным разрешением по всей мозга по сравнению с ЭЭГ (для последних описаний в сочетании ТОК-ЭЭГ см. Schestatsky соавт. ^12). Настоящий рукопись описывает тыс.е совместное использование ТОК при одновременном МРТ. Это новый метод был успешно использован для изучения нейронных механизмов, лежащих ТОК-индуцированные модуляции моторных и когнитивных функций ^13-19. В будущем, это в сочетании протокол даст новое понимание механизмов ТОК действия в норме и патологии. Понимание влияния ТОК на крупномасштабных нейронных сетей по оценке с этой техникой может заложить основу для более целенаправленного применения ТОК в области исследований и клинических условиях.

Рукопись будет направлена ​​на различия между поведенческими ТОК экспериментов и комбинированного использования ТОК во время одновременного МРТ, с особым упором на требования к аппаратному обеспечению, реализации техники, и из соображений безопасности. В качестве примера, один сессия ТОК вводимых левой нижней лобной извилины (ИФГ) во время проблемно-отсутствует упокоения состоянии (РС) МРТ и во время языкового задачи ^{14, 15 Вт}плохо быть описан, хотя многие другие приложения можно ^{16, 19.} Информация о экспериментального проектирования участников характеристик и процедур анализа данных МРТ были подробно описаны в оригинальных изданиях ^14,15 и выходят за рамки настоящего рукописи. Кроме того, в этих исследованиях, дополнительный МРТ сканирование, что участие обман ТОК была приобретена и по сравнению с результатами сессии atDCS (см. "Представитель Результаты" для подробной информации). Этот сеанс был идентичен тому, что описан в настоящем рукописи, за исключением того, что стимуляция было прекращено до начала сеанса сканирования (см. рисунок 1 для деталей). Настоящая процедура была успешно реализована на сканер 3-Тесла Siemens Трио МРТ на Берлинском Центра Advanced Imaging (Шарите университет медицины, Берлин, Германия), и в принципе должны быть применимы к другим сканеров, а ^13.

Protocol

1. Противопоказания и Особые замечания

1. Тщательно экран участников за МРТ противопоказаний (например, кардиостимуляторы, клаустрофобии и т.д.) и исключить в случае необходимости. Приобретать стандартные вопросники в клинических или исследовательских институтов, которые работают МРТ сканеры. Всегда соблюдайте стандартные меры безопасности при входе в номер сканера.
2. Тщательно экран участников за противопоказаний к ТОК. Они могут совпадать с противопоказаниями к МРТ. Смотреть Villamar др.. ²⁰ для примера.
3. Проконсультируйтесь с операционной среды относительно местного безопасности и правил этики и получить необходимые разрешения. Тест для потенциальных артефактов изображений, вызванных текущей или ТОК оборудования стимуляции до начала фактического эксперимента (например, путем тестирования влияния ТОК на соотношении ^{17, 18} сигнал-шум).

2. ФМР.И. установки, опытно-конструкторское и материалы

Примечание: Использование ТОК внутри МРТ сканера требуется специальное оборудование. В частности, удельный MRI-совместимые кабели, фильтр коробки, электроды и ремни присоединить электроды к голове субъектов не требуется. Рисунок 2 иллюстрирует (A) стандартное оборудование ТОК и (B) компоненты для использования с MRI. Последние компоненты необходимы, чтобы предотвратить возможность нагревания в электродах из-за радиочастотных импульсов, испускаемых при МРТ. Кроме того, высокочастотные артефакты визуализации может быть вызвана устройством ТОК. Оба они могут быть предотвращены с помощью фильтра коробки, расположенные снаружи и внутри помещения сканера, кабели, оснащенные резисторов и специализированных МРТ-совместимых проводящих резиновых электродов.

1. Выполните общий экспериментальной установки и последовательности для эксперимента МРТ. Оба зависят от целей исследования. Примечание: ниже протокол SPECIFIC в этом эксперименте, но может быть пересмотрен, чтобы применить к ряду различных экспериментальных условиях.
2. Используйте настольный компьютер с программным обеспечением стимул презентации установлен для задачи языка, который включает визуальное представление семантических категорий внутри сканера. Подарите эти стимулы на экране внутри сканера через проектор, подключенный к компьютеру и системы зеркал.
3. Используйте МРТ-совместимый микрофон для передачи явных словесных ответов. Приобретать два функциональных последовательностей во время ТОК: в пяти минутах задач-отсутствует RS-последовательности и откровенный семантическая задач слово поколения. Примечание: дополнительные детали экспериментальной установки, МРТ последовательности и стимулы были ранее подробно описаны ^{14, 15} и Рисунок 1 иллюстрирует эксперимент.
4. Чтобы настроить устройство, программу ТОК устройство для доставки постоянный прямой ток 1 мА в течение 20 мин, чтобы покрыть всю продолжительность двух функциональных сканированияс, в том числе коротких перерывов и времени для получения инструкций в между запусками ^{14, 15.} Убедитесь в том, что стимулятор заряжен; в противном случае он может выключиться в ходе эксперимента.
5. Убедитесь, что все необходимые материалы имеются (рис. 2).

3. ТОК установки снаружи и внутри сканера (см. рисунок 3 для схематический обзор)

1. Поместите коробку внешний фильтр, близкий к радиочастотного фильтра (RF) трубки (т.е. точка проникновение в радиочастотной щит магнитно-резонансной томографии, которая может использоваться для вставки кабели от внешней поверхности сканера). Подключите стимулятор с внешней коробки с помощью стимулятора кабель. Внутренняя и наружная коробка фильтр не следует смешивать. Примечание: На рисунке 4A иллюстрирует ТОК настройки пределами сканера. Внешняя коробка четко обозначена на рисунке 4В.
2. Измерьте длину кабеля, необходимый для соединения гостиницуэ с наружным ящиком с использованием коробки кабель (см. следующий пункт о позиционировании кабеля в комнате сканер). Вставьте коробки кабель в РФ трубы с внешней панели сканера и соединиться с внешней коробки фильтра (Рисунок 4А).
3. Поместите внутреннюю коробку фильтра внутри задней части сканера отверстие (рис. 5); использовать клейкую ленту, чтобы держать его на месте. Подключите коробки кабель с внутренней коробке фильтра и избежать петли в любых кабелей, так как они могут вызвать РФ отопление. Примечание: Кабель должен быть приведены в соответствие с стен комнаты сканера и крепится с помощью клейкой ленты (рис. 3).

4. Участник Подготовка и позиционирования Участника в сканер

1. Как и обычные ТОК наборах, осмотрите кожу участника за любые предварительно существующих поражений, двигаться волосы прочь, чистая кожа спиртом, чтобы удалить лак для волос, лосьон для тела и т.д.. улучшить проводимость кожи под электродами ^12, <вир> 21.
2. Замочите губки карманы с физиологическим раствором и вставьте МРТ-совместимых электроды в карманах (см. DaSilva ²¹ для общих соображений подготовки участника и электрода позиционирования).
3. Все электродные позиции по глав субъектов, использующих ручку, которая не оставляет ферромагнитные следы (например, не используйте карандаш для глаз). Определить конечную позицию для анода с помощью 10-20 систему ЭЭГ (здесь: левый IFG, 5 х 7 см ^{2) 14, 15.} Чтобы сделать это, найти (а) пересечение T3-F3 и F7-C3 и (б) среднюю между F7-F3. Целевая позиция в центре линии, соединяющей точки (А) и (б). Место катод (10 х 10 см ²⁾ над правым надглазничного положении (подробнее размещения электродов см. Meinzer соавт. ^{14, 15).} Прикрепите электроды к голове, используя резиновые полосы.
4. Руководство участника позади сканера и подключите кабеля электрода с внутренним FILTэ коробка. Включите стимулятор и тест сопротивления, нажав правую верхнюю и нижнюю левую кнопку стимулятора одновременно. Если пределы сопротивление достигаются, то стимулятор автоматически остановится. Если это произойдет, проверьте электроды имеют ли контакт с кожей головы, чистую кожу еще раз, или применять более физиологический раствор, если губки стали слишком сухими, а затем проверить, если любой кабель сломан. Примечание: Сопротивление как правило, выше по сравнению с обычными наборов из-за дополнительных кабелей и фильтров коробки между стимулятора и электродов.
5. Руководство участника в комнату сканера (после окончательной проверки безопасности). Расположите участника на козловых сканера и убедитесь, что электроды находятся все еще в правильном положении. Закройте головы катушку. Кабель электрода следует кормить через нижнюю левую часть головы катушки (см. рисунок 6) или в соответствии с рекомендациями производителя.
6. Перемещение участника в отверстие сканера. Убедитесь в том, что кабель делатьэс не поймать на козловых и разорвать (см. рисунок 6 для возможного безопасное положение кабеля на этой стадии). Когда участник достиг конечного положения внутри сканера, недоступными для кабеля электрода от заднего конца части сканера и подключить его к коробке внутреннего фильтра. Сдают кнопку аварийного участнику и выйти из комнаты сканера.

5. Начала стимуляции

1. С помощью сканера интеркома информировать участника о начале сеанса сканирования. Начните структурную радиомаяка сканирование (для определения головной положение участника сканера и позволяют для планирования последующих функциональных и структурных сканирования) с помощью сканирования консоли. Осмотрите радиомаяка сканирование для высокочастотных артефактов: Дважды щелкните на радиомаяка сканирования после окончания предполагаемого срока приобретения и настроить контрастность (для Siemens трио, удерживая правую кнопку мыши и двигая мышь влево и вправо; примеры см. 7Аи 7В).
2. Используйте сканера домофон для связи с предметом, что стимуляция начнется и что он / она могли бы чувствовать покалывание на коже головы в течение короткого времени. Повторите инструкции для первого функционального сканирования. В этом примере, поручить участника держать глаза закрытыми в течение всего срока проверки (5 мин), двигаться как можно меньше и думать ни о чем, в частности. Убедитесь, что проектор выключен (экран внутри отверстия сканера черный), чтобы избежать визуальной стимуляции в течение RS-сканирования.
3. Начать стимуляцию вручную примерно 1-2 мин до начала первого функционального сканирования (RS-сканирования). Используйте консоль сканера для загрузки RS-последовательность. Дважды щелкните на RS-последовательности, чтобы открыть поле-обзора (FOV), отрегулируйте положение для покрытия весь мозг и выровнять примерно с передне-задней спайки. Начать первое сканирование (с помощью кнопки START сканирования).
4. Монитор сопротивление на протяжении всего эксперимента. Примечание: Если ехрeriment проводится в двойном слепом режиме (участник и исследователь ослеплены к стимуляции), второй исследователь может быть необходимо контролировать сопротивление.
5. В то время как RS-последовательность работает, загрузите второй функциональный последовательность изображений (для последующей задачи языка) и отрегулируйте угол обзора, используя консоль сканера, как описано выше, чтобы уменьшить время, необходимое в между запусками. После окончания RS-последовательности, включите проектором для визуального отображения экспериментальных раздражителей во время задания языка. Дважды щелкните на значок программного обеспечения презентации и языковой нагрузки парадигмы. Используйте сканера домофон повторить инструкции для задач, связанных с МРТ парадигмы и начать с задачи ^{14, 15.}
6. После окончания эксперимента стимуляция / МРТ, по-прежнему с планируемыми структурными сканирования. Не отключайте кабели электродов до конца сканирования сессии.
7. В конце эксперимента, отключите электрода кабель от внутренней коробке фильтра, прежде чем перейти участника изДиаметр сканера. Удалить участника из сканера, отделить головы катушку и попросить участника сидеть и осторожно снимите электроды.

Results

Функциональная МРТ является наиболее широко используется функциональная метод визуализации учитывать основополагающие нервные механизмы двигателя или когнитивных функций. Совсем недавно, МРТ также используется для оценки влияния на ТОК активности коры и связи. Тем не менее, большинство из этих исследований вводить ТОК вне сканера и оценены в автономном режиме эффекты стимуляции (то есть вводить ТОК перед сканированием ^{22, 23).} Лишь несколько исследований до сих пор вводят ТОК при одновременном МРТ, с...

Discussion

Совместное применение ТОК с одновременным МРТ имеет потенциал показано для выяснения нейронных основ непосредственных последствий стимуляции по всей мозга с высоким пространственным разрешением ^13-19. В будущем подобные исследования могут быть дополнены комбинированных исследований ЭЭГ-ТОК, эксплуатировать превосходную временное разрешение последнем способе. Кроме того, intrascanner стимуляция позволяет проверка правильного расположения электродов на коже головы (например, с помощью T-взвешенных изоб...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Илменау, Германия	21
Аппаратное расширение DC-Stimulator MR (2 совместимых с МРТ резиновых электрода, кабель электрода и коробки и внутренняя коробка фильтра; внешняя коробка фильтра и кабель стимулятора)	NeuroConn, Илменау, Германия
2 губчатые подушечки для резиновых электродов (7 см x 5 см и 10 см x 10 см)	NeuroConn, Ильменау, Германия
Резиновая оголовье
NaCl раствор
Измерительная лента			Для определения положения электрода с помощью системы ЭЭГ 10-20
Ручка			Используется во время позиционирования электрода