Summary
HD-transkraniell likström stimulering (HD-TFF), med dess 4x1-ring montage, är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik som kombinerar både neuromodulatory effekterna av konventionella TFF med ökad focality. Denna artikel ger en systematisk demonstration av användningen av 4x1 HD-TFF, och de överväganden som krävs för säker och effektiv stimulering.
Abstract
HD-transkraniell likström stimulering (HD-TFF) har nyligen utvecklats som en non-invasiv hjärnstimulering tillvägagångssätt som ökar noggrannheten i nuvarande leverans till hjärnan med hjälp av kedjor av mindre "HD-"-elektroder, i stället för den större pad- elektroder av konventionella TFF. Inriktning åstadkommes genom aktivering elektroder placerade i förutbestämda konfigurationer. En av dessa är den 4x1-ringen konfiguration. I detta tillvägagångssätt används en centrera ringelektrod (anod eller katod) som ligger över målet kortikala regionen omgiven av fyra returelektroder, som hjälper begränsa området för stimulering. Leverans av 4x1-ring HD-TFF kan inducera betydande neurofysiologiska och kliniska effekter hos både friska försökspersoner och patienter. Dessutom är dess tolerans stöds av studier med intensiteter så hög som 2,0 milliampere för upp till tjugo minuter.
Även om 4x1 HD-TFF är enkel att prestandam, är korrekt elektrod placering viktig för att korrekt stimulera mål kortikala regioner och utöva sina neuromodulatory effekter. Användningen av elektroder och hårdvara som specifikt har testats för HD-TFF är avgörande för säkerhet och tolerabilitet. Med tanke på att de flesta publicerade studier på 4x1 HD-TFF har riktat den primära motoriska cortex (M1), särskilt för smärtrelaterade resultat, är syftet med denna artikel att systematiskt beskriva dess användning för M1 stimulering, liksom de överväganden som bör vidtas för säker och effektiv stimulering. Däremot kan de metoder som beskrivs här kan anpassas för andra HD-TFF konfigurationer och kortikala mål.
Introduction
Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik med förmåga att modifiera neuronal vila membranpotential och nivån på spontana neuronaktivitet inom området för stimulering samt i sammankopplade neurala nätverk 1 inklusive den endogena μ-opioidsystem 2, därigenom modulerande kortikal retbarhet. De neuromodulatory effekter TFF, i kombination med dess låga kostnader, enkel tillämpning och portabilitet, har lett till dess omfattande användning under det senaste decenniet i en mängd olika inställningar. Dessa har inkluderat neurofysiologiska studier, kognitiva och beteendemässiga interventioner och tålmodiga undersökningar för att bedöma sjukdomar såsom kronisk smärta, depression, migrän, stroke, Parkinsons sjukdom och tinnitus 3. Men (DC) leverans av likström utförs med stora kuddar, vanligast mellan 25-35 cm 2, vilket stimulerar relativt breda områden av hjärnbarken som ligger mellan anoden och katoden 4. Därför är fokus stimulering av mål kortikala regioner, som inte innebär stimulering av närliggande anatomiska områden, svårt att uppnå med denna teknik. Flera metoder har undersökts i syfte att "forma" strömmen genom att variera avståndet mellan elektroderna 5 och ökande / minskande pad storlek för att minska / öka moduleringen i kortikala regioner under elektroden 6. Trots insatser för att ytterligare mål strömmen samtidigt undvika shuntning av ström mellan elektroderna 7,8 kvar av intresse.
High-Definition (HD)-TFF är en nyutvecklad ingripande som använder matriser av mindre, speciellt konstruerade elektroder 9. Olika konfigurationer har testats, som kan ändras i syfte att förbättra stimulering av mål 10. Bland dem är det 4x1-ringen konfiguration, ett montage som använder en mittelektrod överliggande målet kortikala region omgivengenom fyra returelektroder 4. Mittelektroden definierar polariteten av stimuleringen som antingen anod eller katod, och radierna för returelektroder begränsa det område som genomgår retbarhet modulering. Brain modellering studier visar att området cortex genomgår modulering med 4x1 HD-TFF-konfiguration är mer begränsad jämfört med vanliga bipolära montage av konventionella TFF 4. Dessutom är dess focality robust till vävnad (modellering) parametrarna 11. Kliniska neurofysiologiska studier med 4x1-ring transcranial elektrisk stimulering bekräftar fokal aktuell leverans 12.
De potentiella tillämpningarna av detta ingripande liknar dem hos konventionella TFF. Beteende och neurofysiologiska studier med 4x1-ring HD-TFF över primära motoriska cortex (M1) anmäla förändringar i kortikala retbarhet 13 och efter-effekter som kan överleva dem genom framkallas av konventionella TFF 14. Aktuella studier med 4x1-ring HD-TFF stödja dess tolerans i både friska försökspersoner 13-15 och patienter 16 när stödnivåer så hög som 2,0 milliampere (mA) levereras i upp till tjugo minuter. Även om HD-TFF tolereras väl, är det viktigt att endast använda apparater och elektroder som har testats specifikt för detta ändamål.
Syftet med denna artikel är att ge en systematisk demonstration av användningen av 4x1-ringelektroder för HD-TFF. Stimulering av M1 valdes, eftersom det är den vanligaste montage används i olika kliniska forskningssammanhang. Däremot kan de beskrivna metoderna anpassas för inriktning av andra delar av hjärnan såsom dorsolaterala prefrontala cortex (DLPFC). Som visas här, är korrekt elektrod placering enkla att utföra men viktig för att korrekt stimulera mål kortikala regioner. Vi hoppas att denna demonstration kommer att bidra till att stödja och öka stringensen i framtida HD-TFFförsök, vilket kommer att ge ytterligare bevis på de mekanismer och tillämpningar av denna roman ingripande.
Protocol
Ett. Kontraindikationer och speciella hänsynstaganden
- Före Enhetsinställningar, bekräfta att deltagaren inte har några kontraindikationer för HD-TFF. Det förefaller rimligt att anta att dessa kontraindikationer är desamma som för konventionella TFF (tabell 1). Andra speciella hänsynstaganden, såsom patientens medicinering, bör också beaktas. Till exempel kan CNS-verkande läkemedel ändra de önskade effekterna av stimulansen.
- Inspektera deltagarens hårbotten grundligt för hudskador, såsom nedskärningar eller inflammatoriska tecken. Undvik att stimulera områden i hårbotten som visar sådana skador. Dessutom bör stimulering bör undvikas hos patienter med skalldefekter eller metalliska implantat. Om syftet med studien är att speciellt studera denna patientgrupp, bör ytterligare försiktighetsåtgärder och särskilda dos hänsyn beaktas (t.ex. med computational fram modeller) 17
2. Material
- Se till att allt nödvändigt material finns lätt tillgängliga (tabell 2).
- Bädda plast HD höljen i modulära elektroencefalogram (EEG) inspelningen cap. Centret elektroden bör motsvara målområdet, i denna demonstration M1, och radien av de fyra neutralelektroder bör justeras baserat på protokollet som studeras. I denna demonstration, använder vi en radie av ca 7,5 cm, med centrum elektrod placeras över M1 och neutralelektroder "läge vilket ungefär motsvarar Cz, F3, T7 och P3 i International 10-20 Anläggning 18.
- Före varje stimulering session, slå på konventionell TFF-enheten (Soterix 1x1 lågintensiv DC Stimulator) och Multichannel Stimulation Adapter och kontrollera att batterierna är laddade. Ett "lågt batteri"-indikatorn på någon av enheterna kommer att lysa om så inte är fallet, vilket indikerar att batteries måste ersättas. Efter kontroll batteriladdning, kan enheterna vara avstängd tills omedelbart före stimuleringen. Den konventionella TFF enheten är en batteridriven enhet som ger likström med en intensitet på några mA. En strömstyrd och inte en spänningsstyrd stimulator är föredragen på grund av förändrade elektrodimpedansen. Användningen av nätadaptrar alltid avskräckt av säkerhetsskäl, för att undvika oavsiktlig tillförsel av större intensitet. Driften av denna enhet beskrevs i vår tidigare artikel 19. Genom att ansluta den konventionella TFF enheten till Multichannel Stimulation Adapter (figur 1), är DC levereras längs 4x1 HD-TFF konfiguration möjliggör neuromodulering begränsad till det önskade området.
- Före varje session, visuellt inspektera elektroderna före användning för tecken på onormalt slitage eller skador. Den HD-TFF elektroder kan återanvändas, men har ett begränsat antal totala antalet ansökningar (se discussion). Elektrodaggregat som används för HD-TFF borde har speciellt utformats eller testas för detta ändamål. Det tillvägagångssätt visat i denna artikel använder Ag / AgCl sintrade ringelektroder (Figur 2). Användningen av dessa elektroder, i kombination med lämplig elektriskt ledande gel och HD höljen plast, har visats för att minimera förändringar i stimulering elektrodpotential och pH-förändringar i gelén samtidigt som de producerar ingen signifikant uppvärmning 9,20, därför resulterar i en säkrare och mer effektiv metod jämfört med andra typer av elektroder.
- Anslut kablarna på fem Ag / AgCl sintrade ringelektroder till matchande mottagare på 4x1 adapterns utgående kabel. Centret elektroden kommer att vara en som definierar polariteten av stimuleringen som antingen anod eller katod. Se till att ansluta ledningen mittelektrod till centrum mottagarens stickpropp. Anslut sedan de återstående elektroderna i de omgivande pluggar. Det bör noteras att denarrangemanget av de fyra returelektroder i mottagaren pluggar är inte kritisk, eftersom de kommer alla vara samma polaritet.
Tre. Mätningar
Huvudmått och lokalisering av området med stimulering är identiska med dem för konventionella TFF, som förklaras i vår tidigare artikel 19. Stegen kommer att beskrivas igen i detalj för ytterligare förtydligande.
- Ha deltagaren sitta bekvämt i en stol, som kan ha en nackstöd.
- Den stimulans webbplatsen bestäms genom protokollet av intresse för forskare, eftersom stimulering av olika områden ger tydliga effekter. Vanligast är det internationella 10-20 Anläggning 18 används för huvudmått, som beskrivs nedan.
- Först, lokalisera vertex (CZ).
- För att göra detta, mät avståndet från nasion till Inion och dividera avståndet med hälften. Nasion är platsen vid korsningen av the panna och näsbenen och Inion är den mest framträdande punkten i Nackknölen (Figur 3). Markera platsen som en linje, en olja med penna eller en giftfri vattenbaserad markör.
- Det andra mäta avståndet mellan de vänstra och högra pre-auricular punkter (dvs ytan främre till tragus). Dividera detta avstånd med hälften, och markera platsen med en linje. Nu ansluter båda linjerna för att skapa ett kors. Den punkt där de båda linjerna skär motsvarar Cz.
- Beroende på vilket protokoll som studeras, identifiera målstället på huvudet.
- För att stimulera över den primära motoriska cortex (M1), beräkna 20% av avståndet från Cz till vänster eller höger pre-öron punkten, börjar mätningen vid Cz (Figur 3). För en mer exakt bestämning av detta område, kan användning av adjungerade metoder såsom neuronavigation system eller transkraniell magnetisk stimulering (TMS) vara lämpliga.
4. Hud Framställning
- Förbered huden vid stimulering platsen genom att separera håret. En tuss kan användas för att hjälpa till att avlägsna sebum eller hårprodukter från hårbotten. Inte skava inte huden. Se till att inga hudskador är närvarande.
Fem. Elektrod Positionering och Device Setup
- Efter mätning huvud dimensioner och förbereda huden, hitta märket motsvarar M1.
- Därefter håller M1 märket i sikte, placera den modulära EEG-inspelning locket på ämnet huvud samtidigt som du håller i mitten plasthölje över märket. För att hålla M1 kryss i hårbotten i sikte, kan man flytta håret runt innan du placerar HD hölje över det. Se till att locket sitter tätt men bekvämt, och justera läget för de fyra höljena retur plast. Även andra metoder är förvisso möjligt, i en tidigare rättegång 16 vi placerat de neutralelektroder i en radie av UNGEFÄRLIGely 7,5 cm från M1. Deras platser motsvarade ungefär Cz, F3, T7 och P3 (Figur 4). Sedan justera remmarna i EEG cap.
- Använda ett måttband, bekräftar att avståndet mellan elektroderna är tillräckliga baserat på studie-protokollet.
- Använda slutet av ett trä bomullspinne, separera håret genom öppningen i plasthöljet tills hårbotten är utsatt för. Upprepa under varje hölje.
- Häll ca 1,5 ml av elektriskt ledande gel genom öppnandet av varje plasthölje, som börjar vid hårbotten ytan. Tillämpning av gelén kan uppnås med användning av en plastspruta. Noggrant undvika spridning gel bortom omkretsen av plasthölje, eftersom detta kan leda till shuntning av elektrisk ström och otillräckligt strömflöde (Figur 5).
- Nästa, med sin grova yta vänd nedåt och den mjukt rundade ytan vänd uppåt, position en Ag / AgCl sintrade ringelektrod i varje HD plasthölje. Användaspruta eller kolven som en guide om nödvändigt, sänka ringelektroden tills den vilar på basen av plasthölje.
- Lägg till lite mer gel för att täcka elektroden, och sedan använda de medföljande locken med HD plastkåpor att låsa elektroderna på plats (Figur 6). Detta lock kommer att hålla elektroden på plats under hela stimulans. Vrid locket för att låsa den på plats. Om plastlocket inte blir lätt att inte använda överdrivet våld. Omjustera elektroden som beskrivs i 5.6, och sedan försöka låsa locket på plats. Locket på HD-plasthölje är utformad för att vridas lätt om Ag / AgCl sintrad ringelektrod är riktigt anslutna och i dess rätta placering.
- För att minska spänningen på elektroden kablar, loop dem runt varje plasthölje och tejpa fast dem på stolen eller motivets kläder (Figur 7).
- Anslut den rundade änden av den utgående kabeln till 4x1 Adapter utgångsport.
- Använd t ingångskabelno Anslut 4x1 Adapter Multichannel Stimulans till den konventionella TFF enheten. Anslut kon-kontakt änden av nätkabeln till 4x1-adapter ingång och anslut den andra änden av nätkabeln (två banan-kontakter) till utgången av den konventionella TFF enheten. Viktigt är kabeln som är märkt som "Center" den som kommer att definiera DC polaritet levereras från mitten elektroden som antingen anod eller katod. Observera att när du använder 4x1 Adapter Multichannel Stimulering i kombination med konventionell TFF enheten finns ingen switch eller knapp för val av center-anod eller center-katod. Denna polaritet bestäms genom processen att ansluta anslutningskabeln banan-kontakter till de konventionella TFF enhetens utgångar, såsom beskrivits ovan. I TFF och HD-TFF, "anod" hänför sig till den relativt positiva terminalen där positiv ström flyter in i kroppen. Å andra sidan, är det "katod" den relativa negativa terminalen där positiv ström thöna lämnar kroppen.
- När anslutningarna är klara, slå på båda enheterna.
- Se till att impedansen värdena ligger inom ett tillfredsställande urval genom att vrida på "Välj" ratten i 4x1 Multichannel Stimulation Adapter till "Scan". Anordningen kommer sedan att söka elektroderna, som visar impedansen för en elektrod i taget i displayfönstret. Den "Lead toggle"-knappen kan användas för att växla den automatiska omkopplingen av elektroderna i displayen. Knappen kan tryckas in för att låsa skärmen på den valda elektroden, och undersöka impedansen. Då kan det ned igen för att låta enheten ändra elektroden visas. Den 4x1 Multichannel Stimulering Adapter enheten kommer att mäta impedansen i "kvalitet enheter". Kontakten kvalitet normaliseras till dessa "kvalitet enheter" av testkretsen baserat på det faktum att elektroden motstånd är icke-linjär till elektroden-gränssnittet elektrokemisk processer 21, och denna elektrod motstånd (impedans) kandärför vara missvisande. Till exempel, är motståndet tydligen mätt helt beroende av testströmmen 22. Lägre "kvalitet enheter" värden är önskvärda. Även om inga strikta riktlinjer finns tillgängliga för datum, värden lägre än eller lika med 1,50 till 2,0 "kvalitet enheter" har använts som en cutoff i tidigare studier 15,16.
Aktivera inte konventionella TFF enheten medan 4x1 Multichannel Stimulation Adapter är i "Scan" (impedans check) läget, eftersom stimuleringen inte kommer att levereras till patienten.
- Om impedansvärdena är bortom dessa önskade gränser, öppna locket på plasthölje innehållande elektroden visar hög impedans och avlägsna Ag / AgCl sintrade ringelektrod. Följ procedurerna som beskrivs ovan (dvs. 5,4-5,7) för att justera håret och elektroden för att erhålla optimal impedans. Kontrollera impedansen igen, vilket påpekas i 5.12. När målet kvalitet värde uppnåtts, Replace locket på höljet. Upprepa samma procedur för andra elektroder som behövs. Optimal kvalitet indikation kan variera från individ till individ, men en kvalitetsindikator högre i en elektrod än i de övriga kan indikera dålig kontakt i denna elektrod.
- När impedansen kvalitet för alla elektroder bekräftas att ligga inom det önskade intervallet, vrid "Välj" ratten i 4x1 Multichannel Stimulation Adapter från "Scan" till "Pass". Denna inställning gör att strömmen kan passera från den konventionella TFF enheten genom elektroderna i 4x1-enheten. Operatören är nu redo att börja stimuleringen.
6. Stimulering
- Se till att deltagaren sitter bekvämt i stolen och förblir vaken under stimuleringen.
- HD-TFF tillämpas nu med hjälp av kontrollerna i den konventionella TFF anordningen som visas i vår tidigare artikel 19. Bekräfta varaktighet och intensitet av stimulering som levereras, och justeraenheten efter behov. Dessutom bestämmer läget av sessionen (simulerad injektion eller aktiv stimulering). Om sham-läget är valt kommer apparaten automatiskt levererar ström under en period av trettio sekunder bara. Detta tillvägagångssätt har rapporterats vara framgångsrika för igensättning av deltagarna i båda konventionella TFF 23 och HD-TFF 15 försök.
- Initiera HD-TFF session genom att trycka på "Start"-knappen på den konventionella TFF enheten. "Start" blinkar när DC-intensitet är upprampas och sedan lyser med fast sken när mål strömmen uppnås. Timern kommer då att visa återstående tid och den "sanna Current" Indikatorn visar strömstyrkan som levereras till mitten elektroden och de fyra avkastning i kombination elektroder.
- Det kan vara så att frivilliga tyder obehag, klåda eller stickningar under den initiala stimulering perioden 24. Om dessa symtom vara alltför obekväm, är det rekommenderat att strömstyrkan vara maårligen sluttande ned av 0,2-0,5 mA under några sekunder med hjälp av "Relax"-funktionen tills motivet känns bekväm. Omedelbart efter, bör den nuvarande intensiteten gradvis ökas tillbaka till den ursprungliga dosen. De ovannämnda förnimmelser tenderar typiskt att blekna bort efter några minuter av stimulering.
7. Efter ingreppet
- Efter sessionen är klar, kan motstånd i alla kanaler mätas igen om så önskas. Öppna plastlock och försiktigt avlägsna Ag / AgCl sintrade ringelektroder från höljena. Om det behövs, använd den trubbiga änden av en bomullspinne för att undvika att rycka på elektrodtrådarna. Elektroder bör tvättas försiktigt med kranvatten för att avlägsna gel och torkades sedan före förvaring.
- Sedan tar du bort EEG mössa med inbyggda plastkåpor. Ta inte bort EEG mössa med slutna plastlock, som deltagarens hår kan fastna i de kepsar och / eller kåpor. De plastkåpor bör sedan tvättas för attavlägsna gel och torkades med en pappershandduk.
- Med hjälp av en pappershandduk, bort kvarvarande gelén från ämnet huvud. Eftersom gelen är vattenlösliga, kan lite vatten kan användas för att ta bort det.
- Det rekommenderas att be deltagaren att fylla i en enkät efter varje stimulering session för att övervaka eventuella biverkningar (Tabell 3).
Representative Results
Om elektroderna är placerade på lämpligt sätt och impedansvärdena finns inom en lämplig intervall, kommer DC strömma från anoden till flera katoder (för anod center 4x1 HD-TFF) för varaktigheten av stimuleringen. Målet strömstyrkan kommer att levereras av den konventionella TFF enheten och visas i "Sant strömmen" indikatorn. Likaså om den bluff-läget väljs kommer enheten stannar automatiskt leverera DC ungefär trettio sekunder efter att den inleddes, och indikatorn visar upphörande av DC leverans (Figur 8).
Det är vanligt att deltagarna skall anmäla klåda, stickningar eller en lätt brännande känsla vid insättandet av stimuleringen. Dessa fenomen observeras ofta under både bluff och aktiv HD-TFF 15,16 och bör ange att DC är som levereras avsett. Dock tenderar de oftast att blekna bort efter de första minuterna av stimulering.
innehåll "> Det är oftast antas att hjärnområden med mer aktuella flödet är mer benägna att moduleras medan regionerna kommer liten eller försumbar ström flöde inte kommer att påverkas direkt. Som sådan skulle den fokala strömmen produceras av 4x1-HD-TFF vara förväntas producera lokaliserad neuromodulering. Beräkningsmodeller 4,14,15 har visat att 4x1-ring HD-TFF resulterar i mer fokal hjärnstimulering jämfört med konventionella TFF (Figur 9). Som rapporterats av Datta et al. 4,11, den område av kortikala retbarhet modulering inducerad av 4x1-ring HD-TFF var begränsad inom ringen omkrets, och toppen av elektriska fält var under mitten elektroden. Däremot orsakade konventionella TFF stimulering av olika andra regioner, såsom ipsilaterala tidsmässiga och bilaterala frontal lober, och det elektriska fältet nådde halvvägs mellan de två elektroderna i stället för under en av dem.HD-TFF är en ny technique och därmed dess effekter har inte studerats i samma utsträckning som de konventionella TFF. Men dess potentiella tillämpningar är liknande, med andra fortfarande på att utforskas. Aktuella studier med 4x1-ring HD-TFF visar att hos friska försökspersoner är det väsentligt kan minska värme och kyla sensoriska trösklar, och leda till en marginell smärtstillande effekt för kalla smärttröskel (figur 10) 15. Dessutom kan det orsaka betydande förändringar i kortikal retbarhet, mätt med användning av motor evoked potentials 13,14 (figur 11). I fibromyalgipatienter, inducerade aktiva 4x1-ring HD-TFF en signifikant minskning av upplevd smärta (Figur 12) och ökade signifikant mekaniska detekteringströsklar jämfört med sham 16.
Studier som jämför HD-TFF och konventionella TFF kommer att vara viktiga för att belysa effekterna av varje insats. Men en enda tio minuters sessio n av Anodal HD-TFF vid 2,0 mA har redan rapporterats av Kuo et al. 14 att utöva mer framträdande, långvarigare excitatoriska efterverkningarna och drägligare stimulering än konventionella TFF (Figur 13), stödjer dess användning i forskning och potentiellt i kliniska situationer.
Figur 1. 4x1 Multichannel Stimulering Adapter (vänster) som är ansluten till konventionell TFF enhet (höger).
Figur 2. Ag / AgCl sintrade ringelektroder, med släta rundade (svart) och grova ytor. Elektroder är anslutna till motsvarande mottagare på 4x1 adapterns utgående kabel.
tp_upload/50309/50309fig3.jpg "/>
Figur 3. Anatomiska landmärken (till vänster) och primära motoriska cortex (M1) lokalisering baserad på International 10-20 Anläggning (höger).
Figur 4. Föreslagen placering för HD elektroder baserade på 10-20 Anläggning. Andra montage kan också testas.
Figur 5. Elektrisk gelapplicering (vänster). För att förhindra att strömmen från växling mellan elektroderna, bör försiktighet iakttas för att undvika spridning av elektrisk gel utanför gränserna för plasthöljet (höger).
Figur 6. Placement av ringelektroden i plasthölje. Den grova ytan av elektroden ska vara vänd nedåt och den mjukt rundade ytan uppåt. Ringen elektroden ska sedan sänkas tills den vilar på basen av plasthöljet (vänster) och locket låses i läge (höger).
Figur 7. Prov 4x1 HD-TFF setup.
Figur 8. Leverans av aktiv (vänster) och simulerad (höger) läge genom konventionell TFF enhet. Från DaSilva et al. 19.
Figur 9. Beräkningsmodell jämförelse mellan primära motoriska cortex 4x1-ring HD-TFF (ovan) och konventionella TFF med en vanlig bipolär svamp montage (nedan). Klicka här för att visa en större bild .
Figur 10. Värme och kyla sensoriska trösklar och kalla trösklar smärta mätt i friska försökspersoner före (pre) och efter (post) 4x1-ring HD-TFF. Protokollet bestod vid leverans av 2mA av aktivt Anodal HD-TFF eller simulerade stimulering till den primära motoriska cortex under 20 min. Modifierad från Borckardt et al. 15. Klicka här för att visa en större bild .
p_upload/50309/50309fig11.jpg "/>
Figur 11. Effekter av 4x1-ring HD-TFF på motor evoked potentials (MEP) amplituden hos friska försökspersoner. Protokollet bestod vid leverans av 1mA av aktivt Anodal HD-TFF eller simulerade stimulering till den primära motoriska cortex under 20 min. MEP mättes före och efter stimulering, och amplituden av den senare normaliserades till den av baslinjen. Whiskers representerar standardavvikelser. Modifierad från Caparelli-Daquer, et al. 13.
Figur 12. Effekter av 4x1-ring HD-TFF på upplevd smärta hos fibromyalgipatienter. Patienterna ombads att betygsätta sin totala smärta med hjälp av en visuell numerisk skala före, omedelbart och 30 minuter efter stimulering. Protokollet bestod av enstaka sessioner aktiv anod och katod-HD-TFF, levereras till vänster primära motoriska cortex (2mA under 20 min) och simulerad stimulering. Whiskers representerar standardfel. Modifierad från Villamar et al. 16.
Figur 13. Jämförelse av de efterverkningar som induceras av anod och katodstimulering användning av konventionella TFF och 4x1-ring HD-TFF. Motor evoked potential (MEP) amplitud mättes före och efter leverans av 2 mA av konventionella TFF eller 4x1 HD-TFF för 10 min. Sekventiell bedömningar utfördes för att utvärdera tidsförloppet för efterverkningar. MEP amplitud efter stimulering normaliserades till den för baslinjen. Modifierad från Kuo et al. 14.
| Har du någonsin ... | Hade en negativ reaktion på TMS / TFF? |
| Hade en seizure? | |
| Hade en oförklarlig medvetslöshet? | |
| Hade en stroke? | |
| Hade en allvarlig skallskada? | |
| Opererats med ditt huvud? | |
| Hade några hjärnan relaterade, neurologiska sjukdomar? | |
| Haft någon sjukdom som kan ha orsakat hjärnskada? | |
| Lider du av återkommande eller svår huvudvärk? | |
| Har du någon metall i huvudet (utanför munnen) såsom granatsplitter, kirurgiska clips, eller fragment från svetsning? | |
| Har ni några implanterade medicinska apparater som pacemakers eller medicinska pumpar? | |
| Tar du några mediciner? | |
| Är du gravid, eller är du sexuellt aktiv och inte säker på om du kan vara gravid? | |
| Har någon i din familj epilepsi? | |
| Behöver du ytterligareförklaringar på TFF / HD-TFF eller dess associerade risker? |
Tabell 1. Screening för kontraindikationer och speciella överväganden innan TFF / HD-TFF.
| Material | En konventionell TFF enhet |
| En 4x1 Multichannel Stimulering Adapter | |
| Fyra 9-volts batterier | |
| En modulär elektroencefalogram inspelning cap | |
| Fem Ag / AgCl sintrade ringelektroder | |
| Fem specialdesignade HD plastkåpor och deras respektive mössor | |
| En plastkolv | |
| Kablar | |
| Ett måttband | |
| En trä bomullspinne | |
| Elektriskt ledande gel | |
| En 3 - eller 5-ml spruta | |
| Tejp | |
| Pappershanddukar |
Tabell 2. Material.
| Visste du upplever något av följande symtom eller biverkningar? | Ange ett värde (1-4) i utrymmet nedan. 1-Frånvarande 2-Mild 3-Medel 4-Svår | Om det finns, tror du att detta är relaterat till HD-TFF? 1-None 2-fjärrkontroll 3-Möjlig 4-Sannolikt 5-Definite | Anteckningar |
| Huvudvärk | |||
| Nacksmärta | |||
| Hårbotten smärta | |||
| Hårbotten brännskador | |||
| Stickningar | |||
| Hudrodnad | |||
| Sömnighet | |||
| Problem att koncentrera | |||
| Akut humörförändring | |||
| Annat (specificera): |
Tabell 3. Negativ effekt screening efter HD-TFF.
Discussion
Kritiska steg
Aspekter som ska kontrolleras före start av proceduren
Innan du påbörjar stimuleringen, bör forskarna se till att deltagaren har inga kontraindikationer för HD-TFF. Tabell 1 listar några viktiga överväganden som måste beaktas och sammanfattar de viktigaste kontraindikationer, inklusive förekomst av metalliska implantat eller anordningar i huvudet, allvarlig hjärnskador eller betydande hudlesioner. Forskaren bör inspektera för närvaron av den senare i 4x1-ringen omkrets samtidigt förbereda sig för elektrod placering. Vi rekommenderar inte tillämpning av teknik om sådana skador föreligger. Detta är viktigt eftersom, även hudlesioner inte har rapporterats vid användning av HD-elektroder och hus som visas i den här artikeln, har hudskador rapporterats efter leverans av flera på varandra följande sessioner konventionella TFF 3, särskilt om det utförs overa 14 dagar 25.
Förekomsten av metalliska implantat eller defekter i skallen eller hjärnparenkymet kan avsevärt ändra strömmen 17,26 och resultera i stimulering av kortikala regioner andra än de avsedda. Av säkerhetsskäl bör stimulering undvikas hos patienter med implanterade medicinska apparater. Relativa kontraindikationer inkluderar förekomst av epilepsi eller slaganfall, om inte undersökningen är speciellt inriktad på att studera dessa villkor. HD-TFF bör undvikas hos gravida kvinnor på grund av brist på data avseende säkerhet.
Det är av yttersta vikt att kontrollera polariteten på kablarna när du ansluter 4x1 Adapter Multichannel Stimulans till den konventionella TFF enheten. Underlåtenhet att göra detta kan resultera i att leverera fel typ av stimulans till deltagaren. Kontrollera att kabeln märkt som "Center", vilket ofta kan vara röda, är ansluten till rätt terminal (anod eller katod).
Operatören ska också visuellt inspektera Ag / AgCl sintrade ringelektroder för bevis för avsättning av elektrolysprodukter före varje användning och byt ut dem om indicerat. Efter varje aktiv stimulering session, produkter av elektrokemiska reaktioner tenderar att byggas upp på den grova ytan på botten av elektroderna. Av denna anledning rekommenderas det att varje elektrod placerad i mitten av 4x1 konfiguration för två aktiva stimulering sessioner bara. Därefter kan den vridas och användas som en av de returelektroder. När var och en av de fem elektroder i en uppsättning har fungerat som centrum elektrod två gånger, är det rekommenderat att använda en ny uppsättning elektroder. Det är enkelt att märka varje elektrod och registrera antalet användningar för att rotera dem på ett samordnat sätt. Förutom tolerans, är det (begränsade) rotation av elektroder också syftar till att undvika en hög impedans fall där strömmen kommer inte att delas lika acrOSS de fyra neutralelektroder. Operatören är ansvarig för att kontrollera kontakten kvalitet före stimuleringen (som förklaras i steg från 5,12 till 5,14), och se till att inga onormalt höga motståndsvärden observeras.
Det kan inträffa att deltagarna flyttar sina huvuden överdrivet eller oavsiktligt dra kablarna och lossa eller bryta dem. Av denna anledning är det lämpligt att slinga varje kabel runt sin plasthölje och att tejpa 4x1 adapterns utgående kabel till en yta (dvs. stolen eller deltagarens kläder).
Om så önskas, kan det vara möjligt att lägga lokalbedövningsmedel till hårbotten för att förhindra potentiellt obehagliga förnimmelser och öka igensättning av deltagarna i studien. Det bör dock hållas i minnet att även om brännskador inte har rapporterats med HD-TFF, kan det finnas en liten teoretisk risk för denna biverkning och användningen av lokalbedövningsmedel kan hindra deltagarna från rAPPORTERING den under stimulering. I denna demonstration, liksom i våra tidigare studier har vi använt inte lokalbedövningsmedel som något obehag i allmänhet rapporterades vara lindriga.
Såsom nämnts ovan, för att få optimala resultat är det mycket viktigt att förhindra att den elektriska gelén från att spridas utanför gränserna för plasthöljet. Annars nuvarande styrka shunt från en elektrod till en annan.
Viktiga överväganden under stimulering
Om inte detta krävs som en del av studiedesign, bör ämnet inte sova, läsa eller på annat sätt distraherad under stimulering sessionen. Detta är viktigt eftersom det har rapporterats att intensiv kognitiv ansträngning, tristess eller sova, muskelaktivering och andra verksamheter som leder till förändringar i kortikala retbarhet kan resultera i förändrade och motsatta effekterna av konventionella TFF 27.
Vid initiering av stimulation, och för att förhindra biverkningar från plötslig start av strömmen, enheten automatiskt ramper ström upp och ner över en period av trettio sekunder. Av liknande skäl, byt inte mellan "Pass" och "Scan"-lägen medan den konventionella TFF enheten genererar ström. Det är alltid klokt att regelbundet ställa frågor om de känner sig bekväma med det förfarande för att se till att stimuleringen går säkert.
Stimulering hos känsliga befolkningsgrupper, däribland pediatriska patienter, kan kräva dosjustering.
Praktiska aspekter efter ingreppet
För att samla in ytterligare bevis på säkerheten och övervaka HD-TFF effekter, rekommenderar vi att du använder en negativ effekt enkät som den som visas i tabell 3, som ska levereras till deltagarna efter varje session. Se till att screena med avseende på närvaro av de vanligaste adverse effekter associerade med HD-TFF, såsom obehag, stickningar, klåda och brännande känsla. Dessutom kan meningsfullhet dessa uppgifter förbättras genom att även be om kvantitativa subjektiva värderingar. Detta kan uppnås genom att ha en numerisk skala för patienter att rapportera intensiteten eller styrkan av de negativa effekter, till exempel från 1 till 5 eller från 1 till 10. Det är också viktigt att leverera frågeformuläret bieffekt efter varje sham session. Detta möjliggör att jämföra frekvensen av biverkningar associerade med både aktiv och hycklar stimulans. För konventionella TFF, har vissa biverkningar rapporterats vara ännu mer frekvent i simulerad grupp 24, huvudvärk är ett exempel.
Möjliga ändringar
För 4x1 HD-TFF får stimuleringsprotokoll utformas involverar olika målpunkter, strömpolariteten och intensitet, och radie av ringen. Som en allmän regel kommer att öka 4x1 ringdiameter increase djupet av penetration och maximal intensitet under ringen 28. Omvänt minskar ringradie ökar focality men minskar inducerade hjärnan elektriskt fält. Därför behövs ytterligare utredning av optimal dos per indikation motiverat.
Även denna artikel är inriktad på 4x1-ring HD-TFF, kan andra elektroden distributioner också användas, såsom 4x2 och 3x3 (dual band), bland andra. Även HD-TFF erbjuder många alternativ för anpassning,, metoder för positionering och förbereda elektroder, som beskrivs här bör följas tillsammans med att bara använda hårdvara och tillbehör som specifikt har testats för detta ändamål. Detta inkluderar särskilt uppmärksamma HD plasthölje design, gel, och elektroder. Till exempel har elektroder andra än Ag / AgCl sintrad ring också testats för att leverera DC, såsom Ag pellet, Ag / AgCl pellet, Ag / AgCl-skiva och gummi pelleten 9. Men både Ag och gummi pellets elektroderna inducerard förändringar i pH, och ökningar i temperatur och elektrodpotential rapporterades för alla elektroder utom Ag / AgCl ring och skiva. Det förefaller därför att Ag / AgCl ringelektroder kan vara ett effektivt och säkrare metod. I framtiden, kan modifieringar av det tillvägagångssätt som beskrivs i detta dokument också användas för att leverera insatser som transcranial växelström stimulering.
Begränsningar
Vid denna punkt förblir rollen av 4x1-ring HD-TFF polaritet på kortikal retbarhet oklar. Även neurofysiologiska studier har rapporterat att både 1,0 mA och 2,0 mA för Anodal 4x1-ring HD-TFF lett till höjda kortikala retbarhet hos friska försökspersoner 13,14, är en större mängd bevis särskilt behandlar HD-TFF studier behövs innan någon generalisering kan göras. Dessutom är det anmärkningsvärt att effekterna av kortikala retbarhet modulering med 4x1-ring HD-TFF kan vara tidsberoende, når sin ärtak flera minuter efter slutet av stimuleringen och inte omedelbart efter 14,16. Därför kan sekventiella bedömningar över olika tidpunkter efter interventionen att behövas för att få tillförlitliga resultat.
Disclosures
MF Villamar, MS Volz, AF DaSilva och F Fregni förklarar inga intressekonflikter relaterade till denna artikel. City University i New York har immaterialrätt på icke-invasiv hjärnstimulering med M Bikson och A Datta som uppfinnare. M Bikson och A Datta har eget kapital i Soterix Medical, Inc.
Acknowledgments
Författarna tackar Kayleen Weaver för redaktionell hjälp, Alexandre Venturi för volontärarbete för denna video, Dennis Truong för att tillhandahålla en av de siffror som används i denna artikel, och Wallace H. Coulter stiftelsen för stödet för att genomföra detta arbete. MS Volz finansieras av en doktorand stipendium från Deutsche Schmerzgesellschaft eV [tyska avdelningen av International Association för studiet av Pain (IASP)].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| One conventional tDCS device (Soterix 1x1 Low-intensity DC Stimulator) | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | 1300A | |
| One 4x1 Multichannel Stimulation Adapter | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | 4X1-C2 | |
| Four 9V batteries | Many manufacturers available | ||
| One modular electr–ncephalogram recording cap | EASYCAP GmbH, Germany | EASYCAP | |
| Five Ag/AgCl sintered ring electrodes | Stens Biofeedback Inc., San Rafael, CA, USA | EL-TP-RNG Sintered | |
| Five specially-designed plastic casings and their respective caps | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | ||
| One plastic plunger | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | PSYR-5 | |
| Cables | Soterix Medical Inc., New York, NY, USA | CSIN-X2 Input Cable, CSOP-D5 Output Cable | |
| One measuring tape | Many manufacturers available | ||
| One wooden cotton swab | Many manufacturers available | ||
| Electrically conductive gel (Sigma Gel) | Parker Laboratories, New Jersey, NJ, USA | 15-25 | |
| One 3- or 5-ml syringe | Many manufacturers available | ||
| Adhesive tape | Many manufacturers available | ||
| Paper towels | Many manufacturers available |
References
- Villamar, M. F., Santos Portilla, A., Fregni, F., Zafonte, R. Noninvasive brain stimulation to modulate neuroplasticity in traumatic brain injury. Neuromodulation. 15, 326-338 (2012).
- Dos Santos, M. F., et al. Immediate effects of tDCS on the μ-opioid system of a chronic pain patient. Front Psychiatry. 3, 1-6 (2012).
- Nitsche, M. A., et al. Transcranial direct current stimulation: state of the art. Brain Stimul. 11, 642-651 (2008).
- Datta, A., et al. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimul. 2, 201-207 (2009).
- Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Electrode-distance dependent after-effects of transcranial direct and random noise stimulation with extracephalic reference electrodes. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 121, 2165-2171 (2010).
- Nitsche, M. A., et al. Shaping the effects of transcranial direct current stimulation of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 97, 3109-3117 (2007).
- Dasilva, A. F., et al. tDCS-induced analgesia and electrical fields in pain-related neural networks in chronic migraine. Headache. 52, 1283-1295 (2012).
- Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. , (2012).
- Minhas, P., et al. Electrodes for high-definition transcutaneous DC stimulation for applications in drug delivery and electrotherapy, including tDCS. J. Neurosci. Methods. 190, 188-197 (2010).
- Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. J. Neural Eng. 8, 046011 (2011).
- Datta, A., Truong, D., Minhas, P., Parra, L. C., Bikson, M. Inter-Individual Variation during Transcranial Direct Current Stimulation and Normalization of Dose Using MRI-Derived Computational Models. Front Psychiatry. 3, 91 (2012).
- Edwards, D. J., et al. Physiological and modeling evidence for focal transcranial electrical brain stimulation in humans: a basis for high-definition tDCS. Neuroimage. , Under review (2013).
- A pilot study on effects of 4x1 High-Definition tDCS on motor cortex excitability. Caparelli-Daquer, E. M., et al. 34th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, , IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 735-738 (2012).
- Kuo, H. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. , (2012).
- Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. J. Pain. 13, 112-120 (2012).
- Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4x1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. J. Pain. 14, 371-383 (2013).
- Datta, A., Bikson, M., Fregni, F. Transcranial direct current stimulation in patients with skull defects and skull plates: high-resolution computational FEM study of factors altering cortical current flow. Neuroimage. 52, 1268-1278 (2010).
- Reilly, E. L. Ch. 7. Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. Niedermeyer, E., Lopes da Silva, F. H. , Lippincott Williams & Wilkins. 139-141 (2004).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), e2744 (2011).
- Bio-heat transfer model of transcranial DC stimulation: comparison of conventional pad versus ring electrode. Conference proceedings. Datta, A., Elwassif, M., Bikson, M. 31st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, , IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 670-673 (2009).
- Merrill, D. R., Bikson, M., Jefferys, J. G. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J. Neurosci. Methods. 141, 171-198 (2005).
- Hahn, C., et al. Methods for extra-low voltage transcranial direct current stimulation: Current and time dependent impedance decreases. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. , (2012).
- Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): a tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clin. Neurophysiol. 117, 845-850 (2006).
- Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int. J. Neuropsychopharmacol. 14, 1133-1145 (2011).
- Palm, U., Keeser, D., Schiller, C., Fintescu, Z., Nitsche, M., Reisinger,, Padberg, E. Skin lesions after treatment with transcranial direct current stimulation (tDCS). Brain Stimul. 1, 386-387 (2008).
- Datta, A., Baker, J. M., Bikson, M., Fridriksson, J. Individualized model predicts brain current flow during transcranial direct-current stimulation treatment in responsive stroke patient. Brain Stimul. 4, 169-174 (2011).
- Antal A, T. D., Poreisz, C., Paulus, W. Towards unravelling task-related modulations of neuroplastic changes induced in the human motor cortex. Eur. J. Neurosci. 26, 2687-2691 (2007).
- Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. J. Neural Eng. 5, 163-174 (2008).
