RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Kathleen A. Williams1, Yuranny Cabral-Calderin1,3, Carsten Schmidt-Samoa1, Christiane Anne Weinrich1,2, Peter Dechent1, Melanie Wilke1,3,4
1Department of Cognitive Neurology,University Medicine Goettingen, 2Department of Neurology,University Medicine Goettingen, 3German Primate Center,Leibniz Institute for Primate Research, 4DFG Center for Nanoscale Microscopy & Molecular Physiology of the Brain (CNMPB)
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) является перспективным инструментом для неинвазивного исследования колебаний мозга, хотя его эффекты еще не полностью поняты. В этой статье описывается безопасная и надежная установка для одновременного применения tACS с функциональной магнитно-резонансной томографией, которая может улучшить понимание колебательной функции мозга и эффектов tACS.
Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) является перспективным инструментом для неинвазивного исследования мозговых колебаний. TACS использует частотно-специфическую стимуляцию человеческого мозга через ток, применяемый к скальпу с поверхностными электродами. Большинство современных знаний о технике основаны на поведенческих исследованиях; Таким образом, объединение метода с визуализацией мозга имеет потенциал для лучшего понимания механизмов tACS. Из-за электрических и восприимчивых артефактов объединение tACS с изображением головного мозга может быть сложным, однако один метод визуализации мозга, который хорошо подходит для одновременного применения с tACS, представляет собой функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI). В нашей лаборатории мы успешно комбинировали tACS с одновременными измерениями FMRI, чтобы показать, что эффекты tACS зависят от состояния, тока и частоты и что модуляция активности мозга не ограничивается областью, находящейся непосредственно под электродами. В этой статье описывается безопасный и надежный наборДля применения tACS одновременно с визуальными заданиями fMRI, которые могут помочь понять колебательную функцию мозга, а также эффекты tACS на мозг.
Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) представляет собой неинвазивный метод стимуляции мозга с обещанием исследовать нейронные колебания и частотно-специфические функции мозга у здоровых людей, а также изучать и модулировать колебания в клинических популяциях 1 . Используя два или более проводящих электрода, помещенных на кожу головы, синусоидальные волны с малым током (1-2 мА пик-к-пику) применяются к мозгу с желаемой частотой для взаимодействия с текущими нервными колебаниями. Исследования TACS измеряли поведенческую или когнитивную модуляцию по частоте и задаче, включая, но не ограничиваясь ими, моторную функцию 2 , производительность рабочей памяти 3 , соматизацию 4 и визуальное восприятие 5 , 6 , 7 . Применение переменного тока неинвазивным образом также привело кУлучшение у неврологических пациентов, таких как уменьшение тремора при болезни Паркинсона 8 , улучшение зрения в оптической нейропатии 9 и улучшение скорости речевого, сенсорного и моторного восстановления после инсульта 10 . Несмотря на все большее число исследований с использованием tACS для исследований и доказательств его терапевтического потенциала в клинических условиях, последствия этого метода не полностью охарактеризованы, и его механизмы не полностью поняты.
Моделирование и исследования на животных могут дать представление о влиянии стимуляции переменного тока на уровне клеточной или нейронной сети в контролируемых условиях 11 , 12 , но, учитывая зависимость эффективных методов стимуляции 13,14 от состояния, такие исследования не показывают всей картины , Объединение tACS с методами нейровизуализации(EEG) 15 , 16 , 17 , магнитоэнцефалография (MEG) 18 , 19 , 20 или функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 могут сообщать о системной модуляции функции мозга. Однако каждая комбинация связана с технологическими проблемами, главным образом из-за индуцированных стимуляцией артефактов при измерении интересующих частот 15 . Хотя временное разрешение МРТ не может сравниться с измерениями ЭЭГ или МЭГ, его пространственное покрытие и разрешение в областях коры головного мозга и подкоркового мозга выше.
Недавно в объединенном исследовании tACS-fMRI мы показали, что эффекты tACS на уровень оксигенации крови d(BOLD), измеренный с помощью fMRI, являются как частотными, так и конкретными задачами, и что стимуляция не обязательно оказывает наибольшее влияние непосредственно под электродами, но в областях, более удаленных от электродов 22 . В следующем исследовании мы исследовали влияние положения и частоты электрода tACS на сетевую функцию с использованием амплитуды низкочастотных флуктуаций и функциональной связности состояния покоя, в том числе с использованием корреляционных семян наиболее непосредственно стимулированных областей, исходя из плотности тока на основе субъекта моделирование. Наиболее заметно в этом исследовании, стимуляция альфа (10 Гц) и гамма (40 Гц) часто вызывала противоположные эффекты в сетевом соединении или в региональной модуляции 23 . Кроме того, наиболее уязвимой сетью покоящихся состояний была левая фронтально-париетальная сеть управления. Эти исследования подчеркивают возможность использования МРТ для определения оптимальных параметров для эффективного, контролируемоголировка. Кроме того, они способствуют доказательству того, что помимо контролируемых параметров, таких как состояние задачи и время, частота стимуляции и позиции электрода, существуют определенные специфические факторы, влияющие на успех tACS. Примерами предметных характеристик, которые переводятся как неконтролируемые переменные в оптимизирующие параметры стимуляции, являются внутренняя функциональная связность, пиковая частота эндогенного колебания ( например , индивидуальная альфа-частота) и толщина черепа и кожи 25 . Принимая во внимание текущую литературу, относящуюся к tACS, необходимы дополнительные исследования, сочетающие tACS с нейронными измерениями, такими как нейровизуализация, для создания комплексных процедур для эффективных методов стимуляции мозга.
Здесь мы описываем безопасную и надежную установку для экспериментов, применяющих tACS одновременно с fMRI визуальной задачи, с уделением особого внимания аспектам настройки и выполнения, которые обеспечивают успешную синхронизацию tACS с отсутствием артефактов данных fMRI.
Проведите все эксперименты в соответствии с руководящими принципами институциональной этики. Для всех исследований, упомянутых в этой рукописи, все процедуры были выполнены в соответствии с декларацией Хельсинки и одобрены местным комитетом по этике Медицинского центра Университета Геттингена.
1. Стимуляция и установка компьютера перед экспериментом
2. Прибытие и подготовка предмета
3. МР-сканирование и эксперимент
4. Эксперимент.
На рис. 2 и 3 показаны репрезентативные изображения, полученные для тестов шума оборудования в фантоме и у человека, соответственно. В каждой строке на рис. 2 и 3 показаны репрезентативные осевые срезы из приобретенного объема или расчетной карты, помеченные соответственно над строкой. Самое правое изображение в каждой строке - это сагиттальное представление соответствующего объема или расчетной карты, указывающее расположение осевых срезов с синими линиями. Помимо первой строки, которая иллюстрирует размещение электрода в белом цвете, объем накладывается на взвешенное по T1 изображение на каждой фигуре. Обратите внимание, что на электродах в изображениях, взвешенных по T1, нет искажений или выпадений сигналов. Вторая строка на рисунке 2 показывает характерные функциональные данные МРТ, полученные с помощью установки tACS, и повернутына. В фантоме, показанном на рисунке 2 , обратите внимание, что из-за электродов наблюдается некоторая потеря сигнала и искажение, однако строка 2 на рисунке 3 показывает, что эти искажения не выходят за пределы скальпа у субъекта. Строки 3 и 4 на рис. 2 показывают шумовые измерения в объеме, которые получены с использованием тех же параметров, что и данные fMRI, но без импульса возбуждения RF. Изображения показывают уровень шума в комнате сканера и аппаратного обеспечения MR во время сканирования. Строка три - измерение шума с отключением tACS, а четвертая строка - с tACS. В пятом и шестом строках рисунка 2 показаны карты tSNR для функциональных прогонов с установкой tACS и стимулятором вкл. И выкл. Соответственно. Карты TSNR, рассчитанные по данным, полученным у человека, представлены на рисунке 3 строки три, с отключением tACS и четырьмя, при включенном tACS. Обратите внимание, что нет видимых различийИнтенсивность при сравнении условий стимуляции. Как мы продемонстрировали в предыдущем исследовании, оборудование tACS производит около 5% -ного снижения tSNR на изображениях по сравнению с теми, которые были получены без установки tACS, однако tSNR должен оставаться стабильным в условиях стимуляции вкл / выкл 22 .
На рисунке 4 представлена серия изображений, которая демонстрирует падение сигнала, которое может возникать, когда используются не-MR-совместимые электроды. Срезы из объема fMRI, приобретенного субъектом с электродами, которые могут иметь некоторые металлические загрязнения, показывают падение сигнала ниже электрода, расположенного грубо по первичной моторной коре, как показано красными кругами.
На рисунке 5 показаны результаты эксперимента, тестирующего влияние силы тока 16 Гц Cz-Oz tACS на сигнал BOLD у субъектов, у которых только t Ask - это центральная крестовая фиксация. На протяжении всего эксперимента 12-секундные периоды tACS чередуются с периодами нестимуляции, варьирующимися от 24 до 32 секунд. В псевдоандомизированном порядке tACS применяли с другой силой тока (500 мкА, 750 мкА, 1000 мкА, 1500 мкА) в каждом из четырех прогонов. На рисунке 5А показаны средние значения, связанные с событием сигнала BOLD для статистически значимых кластеров, с увеличением воздействия на сигнал BOLD с повышенной силой тока. Кроме того, на рис. 5В показаны карты T-score, соответствующие текущей силе, иллюстрирующие региональную специфичность эффектов, а также увеличение пространственного эффекта с увеличением силы тока. Стоит также отметить, что активность BOLD во фронтальных областях значительно изменилась, показывая, что модуляция не всегда находится непосредственно под электродами. Для получения дополнительной информации см. Cabral-Calderin и его коллеги 22 .
E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> На рисунке 6 показаны репрезентативные результаты эксперимента, тестирующего частотную зависимость эффектов tACS во время задачи визуального восприятия. Субъекты сообщили о воспринимаемом направлении бистабильной вращающейся сферы. В то же время tACS применяли с электродами, помещенными в Cz и Oz на одной из трех частот стимуляции (10 Гц, 60 Гц или 80 Гц) в каждом из трех отдельных сеансов. На рисунке 6A показано время эксперимента с визуальным представлением и периодами tACS между Блоки центральной крестовой фиксации. Карты взаимодействия состояний TACS и взаимодействия с частотным эффектом и кластерные пост-hoc-тесты показывают частотно-специфические эффекты в теменной коре с уменьшением tACS на 10 Гц и сигналом увеличения 60 Гц ( рис. 6B ). На рисунке 6C показан T-score Карты конкретных эффектов 60 Гц tACS, выходящие за пределы теменной коры, чтобы включить некоторые затылочныеТаль и лобные области. Подробности эксперимента и анализа см. Cabral-Calderin и др. 22 .
Рисунок 1: Настройка TACS в сканере. ( A ) Настройка TACS со всеми необходимыми элементами. Стимулятор и кабели подключены за пределами экранированной комнаты MR. Также показаны колпачок ЭЭГ, рулетка и проводящий гель, используемый для размещения электродов. ( B ) Наружная коробка фильтра и стимулятор, размещенные вне комнаты сканера. Кабель LAN (не показан на рисунке) поступает из комнаты сканера через радиоволновую трубку и подключается к внешней коробке фильтра, при этом как можно меньше кабеля LAN, выходящего за пределы комнаты сканера. Стимулятор должен быть подключен к внешней коробке фильтра, а также к выходному кабелю триггера презентационного компьютера. ( C )Среда сканера с экспериментальной установкой. Описание настройки tACS, включая компьютер представления, компьютер сканера и выход триггера, и проектор. ( D ) Представление предмета для эксперимента. Важные элементы включают подушки, размещение кабелей, зеркало для просмотра и головную катушку. Фильтровальная коробка помещается на перила сканера в качестве примера размещения внутри отверстия. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Оценка качества МР-изображений, полученных призраком. Строка 1: анатомические срезы с аксиальным изображением с высоким разрешением с T1-взвешенным изображением с их позициями, обозначенными синими линиями на сагиттальном срезе справа (также видны в каждом следующем ряду). На сагиттальной плоскости позиции электрода являются В белом цвете. Ряд 2: T2 * - взвешенные эхо-планарные срезы изображения с пурпурными стрелками, указывающими на выпадение сигнала и искажение из-за электродов и / или электродного геля. На сагиттальной плоскости позиционирование соответствующего объема отображается как наложение (также видно в каждом следующем ряду). Строка 3: срезы изображения шума, полученные с помощью экспериментальных параметров fMRI и без импульса возбуждения RF, в то время как установка tACS находится на месте и включена, но не стимулирует. Строка 4: изображение без возбуждения RF, полученное с установкой tACS на месте, и стимулятор включен и стимулируется при 16 Гц. Строка 5: карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, установлена и включена, но не стимулирует. Строка 6: Карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, и стимуляция на 16 Гц. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Рисунок 3: Оценки качества MR Изображения, полученные из предмета. Строка 1: аксиальные срезы анатомического изображения высокого разрешения с их позициями, обозначенными синими линиями на сагиттальном срезе справа (как видно в каждой строке). Позиции электродов проиллюстрированы белым цветом на сагиттальном изображении. Ряд 2: T2 * - взвешенные эхо-плоские срезы изображения, не показывающие отсутствия сигнала из-за электродов и / или электродного геля. На сагиттальной плоскости позиционирование соответствующего объема отображается как наложение (также видно в каждом следующем ряду). Строка 3: Карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, установлена и включена, но не стимулирует. Строка 4: карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, и стимуляция на 16 Гц. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Влияние текущей силы на tACS-модуляция сигнала BOLD. ( A ) F-score Карты, показывающие основной эффект текущей силы на эффект 16 Гц tACS. Значительный основной эффект силы тока в односторонней rANOVA [в пределах Фактор: сила тока (500, 750, 1000, 1500 мкА)] очевидна. Графики показывают средний временной ход события сигнала BOLD для периодов tACS для каждой силы тока. Заштрихованные области указывают на стандартную ошибку среднего значения по предметам. MedialFG = медиальная лобная извилина, IPS = внутрипариетная борозда, IFG = нижняя лобная извилина, PrC = предцентральная извилина, L = левая, R = правая, * кластер не исправлен для нескольких сравнений. ( B ) Карты T-score Отображение активности BOLD Изменяется при tACS 16 Гц для каждой силы тока. Никакого значительного эффекта не обнаружено при 500 мкА tACS. LH = левое полушарие; RH = правое полушарие. Эта картина была изменена от Cabral-Calderin et al. 29 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Рисунок 6: Влияние tACS на сигнал BOLD в задаче визуального восприятия. ( A ) Схематическое представление эксперимента. Визуальный стимул и tACS применялись в блочном дизайне с 30-секундными блоками блокировки tACS, происходящими в течение 120 секунд блоков визуального представления стимула. Каждая частота тестировалась на другом сеансе. SfM = структура-из-движения. ( B ) Состояние TACS и влияние частоты взаимодействия. F-статистические карты, показывающие значимость в двухсторонней rANOVA [внутри коэффициентов: tACS (вкл., Выкл.), Частота (10 Гц, 60 Гц, 80 Гц)] и бета-оценки для двух репрезентативных кластеров в пост-центральной извилине. Непрерывные линии и черные звездочки означают существенные различия для пост-фокусных сравнений для эффектов ВКЛ-ВКЛ 10 Гц по сравнению с 60 Гц и 10 Гц против 80 Гц, а красные звездочки означают значительную разницу для tACS по сравнению с постсоветскими испытаниями. PoC = постцентральная извилина, IPS = внутрипариетальная борозда. ( C ) T-score Карта 60 Гц tACS. Значительные различия в сравнении 60 Гц tACS в зависимости от выключения. Эта картина была перепечатана от Cabral-Calderin et al. 29 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Авторам нечего раскрывать.
Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) является перспективным инструментом для неинвазивного исследования колебаний мозга, хотя его эффекты еще не полностью поняты. В этой статье описывается безопасная и надежная установка для одновременного применения tACS с функциональной магнитно-резонансной томографией, которая может улучшить понимание колебательной функции мозга и эффектов tACS.
Мы благодарим Илону Пфахлер и Бритту Перл за техническую помощь во время экспериментов по функциональной визуализации и Северина Хеумюллера за отличную компьютерную поддержку. Эта работа была поддержана Фондом Германа и Лилли Шиллинга и Центром наномасштабной микроскопии и молекулярной физиологии мозга (CNMPB).
| В состав | |||
| постоянного тока MR | NeuroConn, Ильменау, Германия | входят: внутренний фильтрующий бокс, внешний фильтрующий бокс, кабели электрода и стимулятора MR-safe (по 1 каждому), стимулятор, 2 поверхностных электрода и один экранированный кабель LAN; ПРИМЕЧАНИЕ: В данной рукописи описывается установка tACS-фМРТ с МР-безопасным стимулятором NeuroConn, но такой стимулятор от другого производителя был бы приемлемым, с адаптацией, сделанной на основе спецификаций производителя. | |
| 3 тесла Тим Трио МРТ сканер | Siemens, Эрланген, Германия | ||
| презентационное программное обеспечение для компьютерных | |||
| презентаций (e.;, Matlab) | The Mathworks, Natick, США | ||
| экранированный кабельный | |||
| проектор | LAN InFocus Corporation, Wilsonville, США | IN-5108 | |
| Ten20 Электродная паста | Weaver and Co., Аврора, США | ||
| ЭЭГ шапочка - EASYCAP 32-канальная система | Brain Products GmbH, Германия | ||
| рулетка | |||
| маркер | |||
| подушки | |||
| кнопка кнопка ящик для | ответа Current Designs, Филадельфия, США | ||
| изопропиловый спирт | |||
| ватные диски | |||
| лента | |||
| MR-safe мешки для песка | Siemens, Эрланген, Германия | ||
| MR-safe зеркала | Siemens, Эрланген, Германия | ||
| MR-safe экран | может быть изготовлен в местном механическом цехе в соответствии с параметрами конкретного места | ||
| E-A-Rsoft беруши | 3M, Бракнелл, Великобритания |