Методическая статья

Эффекты переменного тока транскраниальной стимуляции на первичной моторной коры, онлайн комбинированный подход с транскраниальная магнитная стимуляция

DOI:

10.3791/55839

⸱

23 сентября 2017 г.

 ,  , 
1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Переменного тока транскраниальной стимуляции (ОДУ) позволяет модуляции корковой возбудимости частоты конкретным образом. Здесь мы покажем уникальный подход, который сочетает в себе онлайн tACS с одного импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) для того, чтобы «зонд» корковой возбудимости посредством мотор Evoked потенциалов.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Переменного тока транскраниальной стимуляции (ОДУ) — это метод neuromodulatory может действовать через синусоидального электрических сигналов в определенной частоты и в свою очередь модулировать текущей деятельности коры головного мозга колебательной. Эта neurotool позволяет установление причинно-следственной связи между эндогенного колебательного действия и поведение. Большинство исследований tACS показали онлайн эффекты ОДУ. Однако мало что известно о базовых механизмов действий этой техники из-за AC-индуцированной артефактов на сигналы электроэнцефалография (ЭЭГ). Здесь мы покажем уникальный подход к расследованию онлайн физиологические эффекты частоты конкретных tACS первичной моторной коры (M1) с помощью единого импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) для проверки изменений корковой возбудимости. В нашей установки TMS катушки размещается над электродом tACS пока мотор Evoked потенциалов (MEP) собираются проверить последствия продолжающегося M1-ОДУ. До настоящего времени этот подход главным образом используется для изучения систем визуального и мотор. Однако текущие установки ПВР TMS может проложить путь для будущих расследований когнитивных функций. Таким образом мы предоставляем пошаговые руководства и видео руководства для процедуры.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Транскраниальной электростимуляции (ТЭС) — это метод neuromodulatory, который позволяет изменение нейрональных государств через различные текущей волны1. Среди различных видов tES транскраниальной стимуляции переменного тока (ОДУ) позволяет доставки синусоидального внешних колебательной потенциалов в конкретной полосе частот и модуляции физиологической нейронной активности лежащие в основе восприятия, Мотор и когнитивных процессов2. С помощью ОДУ, можно исследовать потенциальные причинно-следственных связей между процессами мозга и эндогенных колебательной деятельности.

В естественных условиях, было показано, что пики нейронной активности синхронизируются на разных частотах вождения, предполагая, что нейронов стрельбы можно увлекаемого электрически прикладных областях3. В моделях животных слабая синусоидального tACS захватывает разряженные частота широко корковых нейронов бассейн4. В организме человека ПВР, в сочетании с онлайн электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет индукции так называемого эффекта «Увлечения» на эндогенные колебательной активность, взаимодействуя с мозга колебания частоты конкретным способом5. Однако сочетая tACS с нейровизуализационных методов для лучшего понимания механизмов онлайн сомнительна по-прежнему из-за AC-индуцированной артефакты6. Кроме того невозможно напрямую записывать сигнал ЭЭГ над стимулировали целевой области без использования кольцо как электрод, который является сомнительной решения7. Таким образом есть отсутствие систематических исследований по этой теме.

Пока есть нет четких свидетельств о долгосрочных последствий tACS после прекращения стимуляции. Лишь немногие исследования показали слабые и неясными последствия ОДУ на двигательной системы8. Кроме того до сих пор не ясно, о последствия tACS9ЭЭГ доказательств. С другой стороны большинство tACS исследования показали выдающиеся онлайн эффекты10,11,12,13,14,,1516 , 17 , 18, который трудно измерить на физиологическом уровне из-за технических ограничений. Таким образом общая цель нашего метода является предоставить альтернативный подход к тест онлайн и частотно зависимые эффекты ОДУ на моторной коры (M1) путем предоставления единого импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS). TMS позволяет исследователям «зонд» физиологического состояния человека моторной коры19. Кроме того путем записи мотор Evoked потенциалов (MEP) на контралатеральной руке субъекта, мы можем исследовать последствия продолжающегося tACS11. Этот подход позволяет нам точно монитор изменения в возбудимости кортикоспинальных путем измерения амплитуды MEP во время онлайн электрической стимуляции, доставлены на разных частотах в бездефектной моды. Кроме того этот подход также можно проверить онлайн эффекты любой другой волны tES.

Чтобы продемонстрировать эффекты комбинированных ПВР TMS, мы будем показывать протокола путем применения стимуляции 20 Гц переменного тока над первичной моторной коры (M1) во время одного импульса онлайн neuronavigated TMS поставляется чередующиеся случайные интервалы времени от 3 до 5 s для того чтобы проверить M1 корковой возбудимости.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

все процедуры были утверждены Комитетом этики местных исследований высшей школы экономики (ГУ-ВШЭ), Москва, с согласия всех участников.

Примечание: участники должны сообщить никакой истории имплантированных устройств металла, неврологических и психиатрических заболеваний, наркомании или алкоголизма. TMS используется согласно последней безопасности рекомендации 20. Предметы должны полностью проинформирован о характере исследования и подписать форму информированного согласия до начала эксперимента. Мы показываем весь набор оборудования, необходимого для запуска онлайн комбинированные ПВР TMS Протокол путем стимуляции доминирующей M1 ( рис. 1; Таблица материалов).

1. место электромиографии (ЭМГ) электродов в Биполярный монтаж живот сухожилие

  1. очистить кожу с помощью очистки скраб под всеми электродами для достижения низкой кожи сопротивление (ниже 10 ком).
  2. Место активный электрод ЭМГ на первый спинной межкостной мышцы (ПИИ), электрод сравнения на кости 2 см дистально и электродом земли более проксимально на arm.

2. Определение целевого для протокола стимуляции

Примечание: здесь мы используем бескаркасных TMS навигационной системы для достижения надлежащего позиционирования TMS катушки.

  1. Место датчики слежения за глабеллы между бровями и выше нос участника.
  2. Открытое программное обеспечение системы навигации. Использование отдельных участников ' структурных данных T1 магнитно-резонансной томографии (МРТ) и выполнять ко-регистрация участника ' s голова и 3D МРТ головы через систему навигации.
  3. Точно, место катушки над основной мотор стороны зона, так называемые " мотор ручка " региона ( рис. 2).
  4. Начало применения единого импульса TMS и проверить MEPs; TMS поставляется стимулятором (см. Таблицу материалы) подключен к стандартной катушки восьмерка 75-мм. Для локализации " точка доступа " левой M1, удерживайте катушки касательной к волосистой части головы, с ручкой, указывая вперед и вбок, под углом в 45° от срединной линии сагиттальной оси участник ' s голова.
  5. Найдя hotspot (то есть, точки головы, получение евродепутаты на пороге с контралатеральной изучены мышцы рук), пометить его с карандашом, чтобы облегчить применение электрода целевой tACS.

3. ОДУ электроды подготовки

  1. Connect 2 поверхности губкой, смоченной соленой электродов (размер: 5 x 7 см) для устройства стимуляции, который может генерировать электрического переменного тока (например, Brainstim).
  2. Для того, чтобы свести к минимуму ощущение кожи, постоянно насыщают электроды с физиологическим раствором, чтобы держать импедансы ниже 10 ком на протяжении всей стимуляции сессии.

4. ОДУ протокол Set Up

  1. чтобы tACS протокол, с помощью устройства стимулятор, сначала проверить состояние батареи.
  2. С использованием программного обеспечения, откройте новый сеанс и управлять нового протокола стимуляции.
    1. Имя протокола (например, " бета ").
    2. Установить частоту стимуляции (например, 20 Гц).
    3. Выбор сигнала (например, синусоидальные).
    4. Установить Общая длительность стимуляции протокола (например, 600 s).
    5. Наконец, задать интенсивность стимуляции (например, 1 мА), задать смещение, исчезать, затухания и фазы в " 0 ".
      Примечание: немного времени исчезать и стимуляции (около 30 s) могут быть предложены для субъекта во избежание любых неблагоприятных или неудобно эффекты нейросенсорные.
    6. Активировать устройство ' s " Bluetooth " функции и загрузить протокол от программного обеспечения до стимулятор.

5. ОДУ электроды монтаж

  1. место " целевой " электрода на волосистой части головы, соответствующее помеченной точке. Место " ссылка " электрод ипсилатеральные плечо, используя конкретные липкой лентой, в " монополярный монтаж " 21.
  2. Тщательно настроить первый эластичный ремешок на голове относительно позиции головы датчики нейро навигации. Затем, используя второй ремень, исправить положение электрода целевого.
  3. После tACS электроды расположены на ипсилатеральной плечо и на волосистой части головы, подключите их к стимулятор.
  4. Перед началом сеанса стимуляции, обеспечить путем визуального осмотра, что положение электрода целевой центрируется над помеченной hotspot.

6. Выявление отдыха Мотор порог (ППР)

  1. место TMS катушки над целевой tACS электрода и тщательно Отрегулируйте катушки над hotspot ( рис. 3) с помощью нейро навигационной системы.
  2. Измерения RMT соответственно в комбинированных ПВР TMS установки (т.е., TMS катушки над электродом). В частности, регулировать интенсивность TMS отношении толщина электрода ОДУ для того чтобы проверить для надежного RMT.
    1. Измерения RMT индивидуально, он определяется как минимальной интенсивности, необходимо побудить MEP в мышцах ПИИ с амплитудой 50 МВ (пик пик) в 5 из 10 испытаний 22.
  3. Задать интенсивность стимуляции TMS на 110% ППР для того чтобы начать на экспериментальной сессии.

7. Экспериментальная процедура

  1. открытое программное обеспечение ГРП и ГРП записи.
  2. Начать стимуляции tACS.
  3. Во время стимуляции, доставить TMS одного импульсов, чередующиеся случайные интервалы времени от 3 до 5 секунд.
  4. Убедитесь, что каждый сеанс стимуляции (например, ОДУ 20 Гц стимуляции следуют частотой Шам/другого элемента управления) длится не более чем в 90 секунд с интервалом между сессиями около 3 минут, во избежание возможных переходящий эффект предшествующий стимуляции частоты/состояние 11 , 13.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Первые свидетельства о tACS/TMS комбинированный подход был показан Канаи et al. в 2010 году. В этом исследовании авторы применяется tACS первичной зрительной коре (V1) и продемонстрировал модуляции частоты конкретных визуальных корковой возбудимости, измеряется онлайн НП индуцированной Фосфен восприятие15. Более изысканной версии протокола был принят Feurra et al. в 2011 году для изучения физиологической Модуляция возбудимости моторной коры. Чтобы...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот подход представляет собой уникальную возможность непосредственно проверить онлайн эффекты tACS первичной моторной коры, измеряя кортикоспинальных вывода через MEPs записи. Однако размещение TMS катушки над электродом tACS представляет важный шаг, который должен выполняться точно. Таким образом мы прежде всего хотели бы предложить экспериментаторов найти целевую точку одного импульса TMS, а затем пометить его на волосистой части головы и, только после этого, поместите tACS электрода hotspot. Кроме того наличие систем...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было поддержано Российский научный фонд Грант (контракт номер: 17-11-01273). Особая благодарность Андрей Afanasov и его коллеги из многофункционального центра инноваций для телевизионной техники (Национальный исследовательский университет, высшая школа экономики, Москва, Российская Федерация) для записи видео и редактирования видео.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
BrainStim, транскраниальный стимулятор высокого разрешенияE.M.S., Болонья, ИталияEMS-BRAINSTIM
Пара кабелей 1,5м для подключения проводящих силиконовых электродовE.M.S., Болонья, ИталияEMS-CVBS15
Многоразовые проводящие силиконовые электроды 50x50ммE.M.S., Болонья, ИталияFIA-PG970/2
Многоразовая губка для электрода 50x100ммE.M.S., Болонья, ИталияFIA-PG916S
Резиновые ремни – 75 смE.M.S., Болонья,Италия FIA-ER-PG905/8
Пластиковая нетравматическая кнопкаE.M.S., Болонья,Италия FIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Болонья, Италия
MagPro X100 MagOption - транскраниальный магнитный стимуляторMagVenture, Фарум, Дания9016E0731
8-образная катушка MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Дания9016E0462
Стул с подлокотникомMagVenture, Farum, Дания9016B0081
Localite TMS Navigator - Навигационная платформа, Premium editionLocalite, GmbH, Германия21223
Localite TMS Navigator - программное обеспечение на основе МРТ, импорт данных для морфологической МРТ (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Германия10226
MagVenture 24.8 катушка трекер, Geom 1Localite, GmbH, Германия5221
Электродные провода для поверхности EMG  EBNeuro, Италия 6515
Электроды поверхностные для ЭЭГ/ЭМГ  EBNeuro, Италия 6515
Усилитель BrainAmp ExG - усилитель биполярный Brain Products, GmbH, Германия
  Регистратор BrainVision 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Германия
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company, США
Шприцы
Клейкая лента
NaCl раствор

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
  4. Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
  5. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  6. 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).
  7. Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527(2016).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  11. Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
  12. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  18. Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54(2015).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39(2012).
  26. Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
  28. 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).
  29. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

tACS TMS

Похожие статьи