-1::1
Simple Hit Counter
Skip to content

Products

Solutions

×
×
Sign In

RU

EN - EnglishCN - 简体中文DE - DeutschES - EspañolKR - 한국어IT - ItalianoFR - FrançaisPT - Português do BrasilPL - PolskiHE - עִבְרִיתRU - РусскийJA - 日本語TR - TürkçeAR - العربية
Sign In Start Free Trial

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

Behavior
Biochemistry
Bioengineering
Biology
Cancer Research
Chemistry
Developmental Biology
View All
JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

Biological Techniques
Biology
Cancer Research
Immunology
Neuroscience
Microbiology
JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduate courses

Analytical Chemistry
Anatomy and Physiology
Biology
Calculus
Cell Biology
Chemistry
Civil Engineering
Electrical Engineering
View All
JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

Advanced Biology
Basic Biology
Chemistry
View All
JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

Biology
Chemistry

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

Accounting
Finance
Macroeconomics
Marketing
Microeconomics

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Authors

Teaching Faculty

Librarians

K12 Schools

Biopharma

Products

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

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

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Solutions

Authors
Teaching Faculty
Librarians
K12 Schools
Biopharma

Language

ru_RU

EN

English

CN

简体中文

DE

Deutsch

ES

Español

KR

한국어

IT

Italiano

FR

Français

PT

Português do Brasil

PL

Polski

HE

עִבְרִית

RU

Русский

JA

日本語

TR

Türkçe

AR

العربية

    Menu

    JoVE Journal

    Behavior

    Biochemistry

    Bioengineering

    Biology

    Cancer Research

    Chemistry

    Developmental Biology

    Engineering

    Environment

    Genetics

    Immunology and Infection

    Medicine

    Neuroscience

    Menu

    JoVE Encyclopedia of Experiments

    Biological Techniques

    Biology

    Cancer Research

    Immunology

    Neuroscience

    Microbiology

    Menu

    JoVE Core

    Analytical Chemistry

    Anatomy and Physiology

    Biology

    Calculus

    Cell Biology

    Chemistry

    Civil Engineering

    Electrical Engineering

    Introduction to Psychology

    Mechanical Engineering

    Medical-Surgical Nursing

    View All

    Menu

    JoVE Science Education

    Advanced Biology

    Basic Biology

    Chemistry

    Clinical Skills

    Engineering

    Environmental Sciences

    Physics

    Psychology

    View All

    Menu

    JoVE Lab Manual

    Biology

    Chemistry

    Menu

    JoVE Business

    Accounting

    Finance

    Macroeconomics

    Marketing

    Microeconomics

Start Free Trial
Loading...
Home
JoVE Journal
Behavior
Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная ...

Research Article

Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная томография

DOI: 10.3791/55866

June 5, 2017

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)

Cite Watch Download PDF Download Material list
AI Banner

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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

  1. Настройка стимулятора
    ПРИМЕЧАНИЕ. Стимулятор, используемый для этого эксперимента FMRI, представляет собой специально разработанную магнитно-резонансную (MR) -совместимую систему, оснащенную внутренней защитной коробкой MR, внешней коробкой фильтра, защитными резисторами, связанными кабелями и материалами, безопасными для MR. Некоторые инструкции относятся конкретно к указаниям изготовителя, и они могут различаться при использовании другого стимулятора, поэтому следите за инструкциями по оборудованию, предоставленными изготовителем, которые могут составлять исключения для этой установки. На рисунке 1А показан стимуляторКомпоненты, используемые в этой экспериментальной установке.
    1. Перейдите в меню стимулятора, чтобы запрограммировать желаемые параметры эксперимента (подробнее см. Руководство пользователя). Например, для частоты стимуляции 10 Гц программа 10 циклов для увеличения / уменьшения времени 1 с, 300 синусоидальных циклов в течение 30 с стимуляции, сила тока, равная 1000 мкА, и повторяющийся триггерный режим, который проводится для наших Если не указано иное. Сохраните загружаемую программу для каждого запуска эксперимента.
    2. Подключите сигнал запуска компьютера стимула к стимулятору с помощью BNC-кабеля.
    3. Поместите немагнитный экранированный кабель локальной сети (ЛВС) через радиочастотную (RF) волноводную трубку изнутри комнаты сканера. Чтобы избежать резонансной емкостной связи, убедитесь, что кабель свободен от петель и расположен вдоль стены комнаты, что ведет к задней части отверстия магнита и вдоль правого борта сканераГ внутри отверстия, что приводит к положению внутреннего фильтра (см . Рис. 1С и примечание по безопасности на шаге 2.4 относительно положения кабеля). Закрепите кабель лентой, помещенной с перерывами вдоль ее длины.
  2. Загрузите программу визуального стимула на назначенный компьютер представления, который отделен от компьютера управления сканером. Как показано на рисунке 1C , подключите презентационный компьютер к выходу триггера сканера через оптический преобразователь и к выходному устройству ( т . Е. Проектору), которое помещается в экранированный корпус или вне магнитной комнаты. Используйте немагнитные зеркала, чтобы направлять проекцию на экран внутри отверстия сканера.

2. Прибытие и подготовка предмета

  1. Предварительно экранированные набранные предметы для любых противопоказаний к МР-сканированию ( например , без металлических имплантатов, клаустрофобии, экспериментальных конкретных предпосылок), посколькуА также для tACS ( например , история судорог, хронические головные боли, беременность) 26 , 27 .
  2. Когда субъект прибывает, проинструктируйте субъекта о деталях эксперимента FMRI и опишите ожидаемый опыт ( например , визуальный стимул, покалывание или фосфены из tACS, специальные задания).
  3. Поместите электроды в соответствии с системой 10-20 ЭЭГ и подготовкой стимулятора.
    1. Используя рулетку, измерьте расстояние на голове субъекта от nasion до inion и от уха до уха поверх верхушки головы. Пересечение обеих длин дает положение на голове для Cz в соответствии с системой 10-20 ЭЭГ. Отметьте место для Cz на скальпе, используя маркер.
    2. Поместите колпачок ЭЭГ без электродов на голову субъекта, Cz, выровненный по отметке на скальпе предмета, определите желаемое расположение электродов и отметьте их.
      НЕE: Важно, чтобы все экспериментаторы использовали одну и ту же систему размещения, чтобы обеспечить согласованность во всех экспериментах; Система 10-20 ЭЭГ, которая обычно используется в экспериментах по транскраниальной стимуляции, имеет конкретные рекомендации по поддержанию точного размещения электродов 26 , 28 .
    3. Используя спиртовые и хлопчатобумажные прокладки, очистите волосы и кожу вокруг и вокруг отмеченных пятен на голове головы пациента; Удалять масла и продукты для волос.
    4. Нанесите немного геля на резиновые электроды и плотно прижмите каждый электрод в отмеченных и очищенных местах на голове головы, обеспечивая полный контакт от электрода до проводящего геля до головы с минимальным импедансом.
    5. Используя запасной экранированный сетевой кабель, подключите фильтрующие коробки и защищенные от электромагнитных повреждений кабели к стимулятору и резиновым электродам, как показано на рисунке 1A .
    6. Включите стимулятор и проверьте сопротивление (см.Руководство для деталей). Если импеданс не ниже 20 кОм, надавите электроды на кожу головы или добавьте электродный гель по мере необходимости до тех пор, пока не будет достигнута соответствующая рекомендация по импедансу.
    7. Когда импеданс ниже 20 кОм, позвольте стимулятору вывести ток в течение нескольких секунд, чтобы ознакомить испытуемого с чувственным опытом. Задайте вопрос о чувственном восприятии во время этого теста, в том числе о том, ощущается ли покалывание и может быть выдержано, а также степень или расположение фосфенов во время стимуляции.
    8. На этом этапе предмет готов перейти на сканирующую кровать. Оставив электродный кабель, подключенный к резиновым электродам на предмет, отсоедините стимулятор, запасной кабель LAN и внешние и внутренние коробки фильтров.
    9. Подключите внешнюю коробку фильтра к кабелю локальной сети, который проходит через волновод к МР-сканеру, оставляя как можно меньше видимого сетевого кабеля вне волновода (см . Рис. 1B ). ПодключитеСтимулятор к внешней коробке фильтра с помощью кабеля стимулятора и дважды проверьте, что стимулятор подключен к выходу триггера презентационного компьютера.
  4. Подготовьте предмет внутри МР-сканера.
    ПРИМЕЧАНИЕ. На рисунке 1C показана полная настройка tACS-fMRI во время эксперимента. Крайне важно расположить кабели и внутреннюю коробку фильтра, как указано, с кабелем электрода, расположенным под углом приблизительно 90 ° к плоскости слоя сканера, а внутренняя коробка фильтров опирается на перила сканера с правой стороны сканера скука. Пренебрежение этим может привести к повреждению цепи безопасности электродного кабеля; Эта конфигурация применяется как для открытых, так и для закрытых радиочастотных катушек.
    1. Убедившись, что объект свободен от магнитных материалов и готов к эксперименту с МРТ, переведите объект в комнату сканера.
    2. Приложите наушники для защиты слуха к объекту и дайте указание субъекту лгатьНа кровати сканера, размещая подушки вокруг и под головой и под ногами для удобства и уменьшения движения. При размещении подушек позади головы субъекта обратите особое внимание на то, чтобы проложить электродный кабель плоской и в удобном для пациента месте в течение всего эксперимента.
    3. Дайте тревожному шару и кнопке с защитой от MR-безопасности объекту удерживать, чтобы минимальное движение потребовалось, чтобы нажать кнопку, чтобы ответить в эксперименте.
    4. Закрепите катушку радиочастотной головки над головой объекта с прикрепленным зеркалом, чтобы объект мог видеть экран проекции, отображаемый в правильной ориентации.
    5. Временно закрепите свободный конец электродного кабеля, идущего от резиновых электродов, до места в головной катушке таким образом, чтобы он не улавливался при движении кровати. Рисунок 1D показывает головку объекта, расположенную в головной катушке, с подушками, зеркалом и кабелем tACS на месте bПрежде чем перемещать кровать в центральную головную катушку для визуализации. Фильтрующий ящик также показан на решетке сканера, как пример того, где он должен сидеть относительно головной катушки, когда слой сканера находится в положении измерения.
    6. Переместите лоток сканера в положение измерения. С заднего конца отверстия сканера подключите электродный кабель от резиновых электродов к внутренней коробке фильтра, которая соединяется с кабелем локальной сети, как показано на рисунке 1C . Чтобы предотвратить избыточное движение во время сканирования, закрепите кабели и коробку фильтра вдоль перила сканера, расположенного справа от отверстия, с помощью ленты и мешков с песком. Установите экран проектора в задний конец отверстия сканера.
    7. Протестируйте импеданс на стимуляторе еще раз, чтобы убедиться, что все соединения между кабелями, фильтровальными коробками и стимулятором выполнены правильно.

3. МР-сканирование и эксперимент

  1. Перед началом сканирования проверьте, чтоКомпьютер презентации регистрирует, когда объект нажимает кнопки ответа.
  2. Приобретать аналоговые данные с высоким разрешением T1 с взвешенным взвешиванием ( например , трехмерный турбо быстрый низкоугловой выстрел, время эха (TE): 3,26 мс, время повторения (TR): 2,250 мс, время инверсии: 900 мс, угол поворота 9 °, Изотропное разрешение 1 х 1 х 1 мм 3 ).
    1. После приобретения отрегулируйте контраст и окно на анатомической МРТ до низких и высоких экстремумов, чтобы визуально обнаружить шум во время сканирования, что может быть результатом настройки стимулятора. Продолжайте этот визуальный мониторинг шума одновременно с получением функционального изображения.
  3. Начните эксперимент на компьютере презентации, готовый начать с триггера сканера, и запустите стимулятор, чтобы ждать триггера выхода компьютера презентации. Оставьте стимулятор включенным и подключенным во время эксперимента fMRI, чтобы избежать различий в отношении временного сигнала к шуму (tSNR) между стимуляторомУсловия включения и выключения 22 .
  4. Запустите fMRI-сканирование ( например , двумерное эхо-планарное изображение с градиентом-эхом T2 * с взвешиванием, TE: 30 мс, TR: 2000 мс, угол поворота 70 °, 33 ломтика толщиной 3 мм, отсутствие зазора между срезами при Разрешение в плоскости 3 x 3 мм 2 , 210 томов в течение семи минут сканирования), что инициирует начало эксперимента на компьютере презентации. Контролируйте дисплей стимулятора, чтобы гарантировать, что ток будет отправлен в нужное время на протяжении экспериментальных пробегов.

4. Эксперимент.

  1. После того, как эксперимент запустится и сканирование закончится, отсоедините внутреннюю коробку фильтра от кабеля, подключенного к резиновым электродам, перед перемещением слота сканера, удалите предмет со сканера и удалите электроды, оставив объект свободен для мытья волос.
  2. Выключите стимулятор и подключите его к зарядке. Очистите резиновые электроды водой для их нексT использовать.

Representative Results

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
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.

фигура 2
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 4: Отключение сигнала из-за загрязненного электрода. Ломтики из объема МРТ, полученные субъектом, с использованием загрязненного электрода, расположенного примерно над ручкой рулевого механизма двигательной коры. Красные круги указывают области ниже электрода с выпадением сигнала. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5
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.

Discussion

Авторам нечего раскрывать.

Disclosures

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.

Acknowledgements

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).

Materials

стимулятора
В состав
постоянного тока MRNeuroConn, Ильменау, Германиявходят: 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 сканерSiemens, Эрланген, Германия
презентационное программное обеспечение для компьютерных
презентаций (e.;, Matlab)The Mathworks, Natick, США
экранированный кабельный
проекторLAN InFocus Corporation, Wilsonville, СШАIN-5108
Ten20 Электродная пастаWeaver and Co., Аврора, США
ЭЭГ шапочка - EASYCAP 32-канальная системаBrain Products GmbH, Германия
рулетка
маркер
подушки
кнопка кнопка ящик дляответа Current Designs, Филадельфия, США
изопропиловый спирт
ватные диски
лента
MR-safe мешки для пескаSiemens, Эрланген, Германия
MR-safe зеркалаSiemens, Эрланген, Германия
MR-safe экранможет быть изготовлен в местном механическом цехе в соответствии с параметрами конкретного места
E-A-Rsoft беруши3M, Бракнелл, Великобритания

References

  1. Thut, G. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12 (12), e1002032 (2014).
  2. Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving Oscillatory Activity in the Human Cortex Enhances Motor Performance. Current Biology. 22 (5), 403-407 (2012).
  3. Jausovec, N., Jausovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).
  4. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).
  5. Laczo, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain stimulation. 5 (4), 484-491 (2012).
  6. Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Wilke, M. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (7), 1298-1307 (2015).
  7. Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).
  8. Brittain, J. S., Probert-Smith, P., Aziz, T. Z., Brown, P. Tremor Suppression by Rhythmic Transcranial Current Stimulation. Current Biology. 23 (5), 436-440 (2013).
  9. Sabel, B. A., et al. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29 (6), 493-505 (2011).
  10. Fedorov, A., Chibisova, Y., Gall, C., Sabel, B. A. Non-Invasive Alternating Current Stimulation Induces Recovery From Stroke. Brain Injury. 26 (4-5), 634 (2012).
  11. Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing. Journal of Neuroscience. 30 (45), 15067-15079 (2010).
  12. Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Front Hum Neurosci. 7, 687 (2013).
  13. 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).
  14. Alagapan, S., et al. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14 (3), e1002424 (2016).
  15. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  16. Neuling, T., Zaehle, T., Herrmann, C. Simultaneous recording of EEG and transcranial electric stimulation. International Journal of Psychophysiology. 77 (3), 312 (2010).
  17. Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5 (11), e13766 (2010).
  18. Neuling, T., et al. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
  19. Ruhnau, P., Keitel, C., Lithari, C., Weisz, N., Neuling, T. Flicker-Driven Responses in Visual Cortex Change during Matched-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation. Front Hum Neurosci. 10, 184 (2016).
  20. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , 89-98 (2016).
  21. Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , 110-117 (2016).
  22. Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial alternating current stimulation affects the BOLD signal in a frequency and task-dependent manner. Hum Brain Mapp. 37 (1), 94-121 (2016).
  23. Cabral-Calderin, Y., Williams, K. A., Opitz, A., Dechent, P., Wilke, M. Transcranial alternating current stimulation modulates spontaneous low frequency fluctuations as measured with fMRI. Neuroimage. 141, 88-107 (2016).
  24. Vosskuhl, J., Huster, R. J., Herrmann, C. S. BOLD signal effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) in the alpha range: A concurrent tACS-fMRI study. Neuroimage. 140, 118-125 (2016).
  25. Krause, B., Cohen Kadosh, ., R, Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 8 (25), (2014).
  26. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).
  27. Nitsche, M. A., et al. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114 (11), 2220-2222 (2003).
  28. Poeppl, T. B., et al. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36 (6), 2374-2386 (2015).
  29. Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial Alternating Current Stimulation Affects the BOLD Signal in a Frequency and Task-dependent Manner. Human Brain Mapping. 37 (1), 94-121 (2016).
  30. Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85 (Pt 3), 1040-1047 (2014).
  31. Turi, Z., et al. Both the cutaneous sensation and phosphene perception are modulated in a frequency-specific manner during transcranial alternating current stimulation. Restor Neurol Neurosci. 31 (3), 275-285 (2013).
  32. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clinical Neurophysiology. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  33. Schutter, D. J., Hortensius, R. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (7), 1080-1084 (2010).
  34. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , (2015).
  35. Vossen, A., Gross, J., Thut, G. Alpha Power Increase After Transcranial Alternating Current Stimulation at Alpha Frequency (alpha-tACS) Reflects Plastic Changes Rather Than Entrainment. Brain Stimul. 8 (3), 499-508 (2015).
  36. Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Play Video

Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная томография
JoVE logo
Contact Us Recommend to Library
Research
  • JoVE Journal
  • JoVE Encyclopedia of Experiments
  • JoVE Visualize
Business
  • JoVE Business
Education
  • JoVE Core
  • JoVE Science Education
  • JoVE Lab Manual
  • JoVE Quizzes
Solutions
  • Authors
  • Teaching Faculty
  • Librarians
  • K12 Schools
  • Biopharma
About JoVE
  • Overview
  • Leadership
Others
  • JoVE Newsletters
  • JoVE Help Center
  • Blogs
  • JoVE Newsroom
  • Site Maps
Contact Us Recommend to Library
JoVE logo

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved

Privacy Terms of Use Policies
WeChat QR code