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Neuroscience

Die Verwendung von magnetischen Resonanzspektroskopie als Werkzeug für die Messung der Bi-hemisphärische transkranielle elektrische Stimulation Auswirkungen auf primären motorischen Kortex Metabolism

Published: November 19, 2014 doi: 10.3791/51631
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 1, 3, 1
1Department of Psychology, University of Montréal, 2Montreal Neurological Institute, McGill University, 3Center for Magnetic Resonance Research and Department of Radiology, University of Minnesota

Abstract

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist ein Neuromodulation Technik, die zunehmend im letzten Jahrzehnt in der Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression verwendet wurde. Dennoch bleibt die Mechanismen seiner Fähigkeit, die Erregbarkeit des Gehirns zu modulieren, um klinische Symptome zu verbessern zugrunde liegenden schlecht verstanden 33. Zur Verbesserung dieses Verständnis kann Magnetresonanzspektroskopie (1 H-MRS) verwendet werden, da sie den in vivo Quantifizierung von Hirnstoffwechselprodukte wie γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glutamat in einer Region-spezifischen Weise 41. In der Tat, eine aktuelle Studie gezeigt, dass ein H-MRS ist in der Tat ein wirksames Mittel, um die Auswirkungen der tDCS auf Neurotransmitter-Konzentration 34 besser zu verstehen. Dieser Artikel soll die komplette Protokoll zum Kombinieren tDCS (neuroConn MR-kompatible Stimulator) mit 1 H-MRS bei 3 T mit einem MEGA-PRESS seq beschreibenuss. Wir beschreiben die Auswirkungen eines Protokolls, das große Versprechen für die Behandlung von Bewegungsstörungen nach Schlaganfall, die bilaterale Stimulation der primären motorischen Kortex 27,30,31 besteht gezeigt hat. Methodische Faktoren zu berücksichtigen und mögliche Änderungen an dem Protokoll werden ebenfalls diskutiert.

Introduction

Die Idee der Anwendung von Elektrizität zu dem menschlichen Gehirn, um seine Aktivität zu modulieren, ist seit der Antike sucht. Tatsächlich Schriften bereits ab dem 11. Jahrhundert wurde festgestellt, dass die Verwendung des Torpedos elektrische Fische bei der Behandlung von epileptischen Anfällen 1 beschreiben. Dennoch ist es bis vor kurzem nicht, dass nicht-invasive Gehirnstimulation hat breites Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erhalten, wie es wurde gezeigt, dass modulatorische Effekte auf die kognitive Funktion und motorische Antwort 2 zu produzieren. Während transkranielle Magnetstimulation (TMS) wurde ausgiebig seit den frühen 1980er Jahren 3 studiert, hat kürzlich Interesse an der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) erhöht, wie es jetzt gilt als eine praktikable Behandlungsoption für eine breite Palette von Neuropathologien, wie Schlaganfall 4, Alkoholsucht 5, und chronischen Schmerzen 6. tDCS hat viele Vorteile gegenüber Neurostimulationstechniken wie TMS, zBda sie relativ billig, schmerzlos ist, von den Patienten gut toleriert wird, und tragbar ist, wodurch es möglich ist, am Bett 7 verwalten. In der Tat, nur ein kleiner Prozentsatz der Patienten berichten über ein leichtes Kribbeln während der Stimulation 8. Allerdings verschwindet dieses Gefühl in der Regel nach ein paar Sekunden 9. Folglich ermöglicht tDCS robuste doppelblinde, scheinkontrollierte Studien, da ein Großteil der Teilnehmer können Scheinstimulation nicht zu unterscheiden von echten Stimulation 9,10.

tDCS beinhaltet die Induktion einer konstanten Niederstromstärken (1-2 mA) über Oberflächenelektroden auf der Kopfhaut der Person angeordnet ist, um den Kortex aufgebracht. Die Elektroden werden in der Regel in Kochsalzlösung getränkten Schwamm oder direkt auf der Kopfhaut mit einem EEG-Aktivität Paste gegeben. Um eine tDCS Studie durchzuführen, müssen vier Hauptparameter vom Experimentator gesteuert werden: 1) die Dauer der Stimulation; 2) die Intensität der Stimulation; 3) die Elektrodengröße; und 4) die Elektrode Montage. In Standardprotokollen wird die "aktive" Elektrode, die über dem interessierenden Bereich positioniert ist, während die Bezugselektrode ist in der Regel über der Augenpartie gelegt. Der Strom fließt von der positiv geladenen Anode zur negativ geladenen Kathode. Die Wirkung der tDCS auf primären Motorkortex (M1) durch die Polarität der Stimulations bestimmt, wobei anodische Stimulation erhöht die Erregbarkeit einer Population von Neuronen und die kathodische Stimulation reduziert 11. Im Gegensatz zu TMS, ist der induzierte Strom nicht ausreicht, um Aktionspotentiale in kortikalen Neuronen zu erzeugen. Die Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit wird angenommen aufgrund der Modulation der neuronalen Membran Schwellen die entweder zur Hyperpolarisation der Membran-Potentialen oder eine Erleichterung der Depolarisation von Neuronen in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses 8,11 sein. Die Dauer der Erregbarkeit Veränderungen kann für bis zu 90 min für die Dauer der Offset-der Stimulation in Abhängigkeit von Stimulationsdauer 11,12.

tDCS und motorische Rehabilitation

M1 wurde ausgiebig als Ziel der Stimulation verwendet wird, da die Erregbarkeit Änderungen tDCS ausgelöst quantifiziert werden durch den Motor hervorgerufenen Potentialen (MEP) von Einzelpuls TMS 3 induziert. Frühe Studien, die die Möglichkeit der Messung Polarität spezifische Erregbarkeit Veränderungen durch tDCS bewogen haben M1 als ein Ziel der Stimulation 11,12 eingesetzt. Seitdem hat M1 eines der primären Ziele der tDCS in Studien mit sowohl klinischen Populationen und gesunden Probanden wegen seiner Bedeutung in Motorik, Gedächtnisbildung und Konsolidierung der Motorik 12 geblieben.

Das Gehirn beruht auf einem komplexen Zusammenspiel zwischen Motor Regionen beider Hemisphären, eine Bewegung 14 durchzuführen. Wenn ein Bereich beschädigt ist, nach einem Schlaganfall zum Beispiel inter-hemisphärische Wechselwirkungen verändert. Untersuchungen an Gehirnplastizität zeigen, dass die motorischen Arealen des Gehirns Anpassung an diese Änderung in unterschiedlicher Weise 15. Erstens können die intakten, umliegenden Regionen des beschädigten Bereichs overactived geworden, was zu einer Hemmung der den beschädigten Bereich - einen Prozess namens inner hemisphärischen Hemmung. Zweitens kann die homologe Region des beschädigten Bereich überaktiviert werden und üben Hemmung auf den verletzten Hemisphäre - einen Prozess namens inter-hemisphärische Hemmung. Der betroffene M1 kann daher doppelt bestraft werden: erstens durch die Läsion und zweiten durch die Hemmung kommen sowohl aus dem unberührt M1 und der Region des betroffenen M1 16. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass eine erhöhte Erregbarkeit in der betroffenen Hemisphäre wird langsamer Rehabilitation 17, die als maladaptive inter-hemisphärische Wettbewerb 18 beschrieben wurde verlinkt.

Das Verständnis der Plastizität nach vorkommendenein Schlaganfall kann zur Entwicklung der Neuromodulation Protokolle, interhemisphärische Wechselwirkungen 19 wiederherstellen führen. Drei Haupt tDCS-Behandlungen bei Patienten mit motorischen Defiziten nach Schlaganfall 20,21 vorgeschlagen. Die erste Behandlung zielt darauf ab, den verletzten Motorkortex durch einseitige anodische Stimulation (a-tDCS) zu reaktivieren. In diesem Fall soll die Stimulation direkt auf zunehmende Aktivität in periläsionalen Bereiche, die als wesentlich für die Wiederherstellung angesehen werden. In der Tat haben Studien Verbesserung der paralytischen oberen oder unteren Extremität gezeigt nach dieser Behandlung 22-26. Die zweite Behandlung wurde mit dem Ziel der Reduzierung der Überaktivierung des kontraläsionalen Hemisphäre durch die Anwendung einseitiger kathodische tDCS (c-tDCS) über den intakten M1 entwickelt. Hier zielt Stimulation bei indirekt zunehmende Aktivität in periläsionalen Gebieten durch interhemispehric Interaktionen. Ergebnisse aus diesen Studien haben die Verbesserung der Motor functi gezeigtenauf nach der C-tDCS 4,27-29. Schließlich zielt die dritte Behandlung in Kombination der erregenden Wirkungen einer-tDCS über dem verletzten M1 mit den hemmenden Wirkungen von c-tDCS über die unberührt M1 bilaterale tDCS. Ergebnisse wurden Verbesserungen der motorischen Funktion nach bilateralen tDCS 27,30,31 gezeigt. Darüber hinaus eine Studie gezeigt, größere Verbesserungen folgenden bilateralen tDCS im Vergleich zu den beiden einseitigen Methoden 32.

Physiologische Mechanismen der tDCS

Trotz der zunehmenden Verwendung von tDCS bei der Behandlung von Schlaganfall, bleibt die physiologische Mechanismus hinter seine Wirkungen nicht bekannt 33. Ein besseres Verständnis der physiologischen Wirkungen helfen könnte entwickeln bessere Behandlungsmöglichkeiten und könnte zu standardisierten Protokolle führen. Wie bereits erwähnt, können die Effekte der tDCS für bis zu 90 min dauern, nachdem der Offset der Stimulations 11,12. Daher Hyperpolarisation / DepolarisationProzesse können langfristiger Wirkung 33,34 nicht vollständig erklären. Unterschiedliche Hypothesen hinsichtlich des physiologischen Mechanismus Nachwirkungen von M1 einschließlich Änderungen der Freisetzung von Neurotransmittern, Proteinsynthese, Ionenkanalfunktion oder Rezeptoraktivität 34,35 Basiswert tDCS vorgeschlagen. Einblicke in dieser Angelegenheit wurden zuerst durch pharmakologische Studien, die eine Unterdrückung der die Nachwirkungen von anodische und die kathodische Stimulation auf M1 Erregbarkeit durch den glutamatergen N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) -Rezeptor-Antagonist Dextromethorphan 36,37 erworben, während die entgegengesetzte Wirkung zeigte mit einem NMDA-Rezeptor-Agonisten 38. NMDA-Rezeptoren sind vermutlich bei Lern- und Gedächtnisfunktion durch Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeit-Depression (LTD), beide von Glutamat und GABA-erge Neuronen 39,40 vermittelte einbezogen werden. Tierexperimentelle Studien sind im Einklang mit dieser Hypothese, da sie zeigen, dass a-tDCS induziert LTP 13.

<p class = "jove_content"> Trotz der bedeutenden Fortschritte in unserem Verständnis der Wirkmechanismen zugrunde liegenden tDCS-Effekte, pharmakologische Protokolle vorliegenden wichtige Einschränkungen gemacht. Tatsächlich können Arzneimittelwirkung nicht so spezifisch wie räumlich tDCS, insbesondere im Rahmen der Experimente an Menschen und der Mechanismus der Wirkung ihrer Wirkungen ist hauptsächlich auf post-synaptischen Rezeptoren 34. Daher besteht ein Bedarf mehr direkt die Auswirkungen der tDCS auf das menschliche Gehirn zu untersuchen. Protonenmagnetische Resonanzspektroskopie (1 H-MRS) ist ein guter Kandidat, da es ermöglicht nicht-invasive in vivo-Nachweis von Neurotransmitterkonzentration in einem bestimmten Bereich von Interesse. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, daß jedes Proton enthaltenden neuro im Gehirn hat eine spezifische molekulare Struktur und folglich erzeugt chemisch bestimmten Resonanzen, die durch 1 H-MRS 41 detektiert werden kann bezogen. Das erworbene Signal aus dem Gehirn Volumen inInteresse von allen Protonen, zwischen 1 und 5 ppm Resonanz erzeugt. Die erworbenen Neurochemikalien werden auf ein Spektrum repräsentiert, und als Funktion ihrer chemischen Verschiebung mit einigen klar unterscheidbare Peaks, aber wo viele Resonanzen der verschiedenen Neurotransmittern lappen. Die Signalintensität der einzelnen Peaks ist proportional zu der Konzentration des neurometabolite 41. Die Menge an Neurochemikalien, die quantifiziert werden können, hängt von der Stärke des Magnetfeldes 42,43. Allerdings niedriger Konzentration Metaboliten, die sich durch sehr starke Resonanzen verdeckt sind, sind schwer zu bei niedrigeren Feldstärken zu quantifizieren, wie 3 T. Eine Möglichkeit, Informationen über solche überlappenden Signale zu erhalten ist es, die starke Resonanzen über spektrale Bearbeitung zu entfernen. Eine dieser Techniken ist eine MEGA-PRESS-Sequenz, die Detektion von γ-Aminobuttersäure (GABA) Signale 44,45 ermöglicht.

Nur wenige Studien haben die Wirkung auf die untersuchten tDCSHirnstoffwechsel unter Verwendung von 1 H-MRS in Kraft 34,46 und nicht-motorischen Regionen 47. Stagg und Mitarbeiter 34 beurteilt die Auswirkungen einer-tDCS, c-tDCS und Scheinstimulation auf M1 Stoffwechsel. Sie fanden eine signifikante Reduktion der GABA-Konzentration Ein-tDCS und eine signifikante Reduktion der Glutamat + Glutamin (Glx) und GABA folgenden C-tDCS. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass die Menge an Änderungen in GABA-Konzentration von a-tDCS über M1 induziert Motorlern 46 zusammen.

Diese Studien zeigen das Potential der Kombination von 1 H-MRS mit tDCS zu unserem Verständnis der physiologischen Mechanismus die Wirkung der tDCS auf die motorische Funktion zugrunde liegenden erhöhen. Darüber hinaus ist die Verwendung von klinischen Protokollen wie a-tDCS und c-tDCS über M1 nützlich, weil ihre Verhaltenswirkungen sind gut untersucht und kann direkt an physiologischen Ergebnisse beziehen. Daher ist ein Standardprotokoll zum Kombinieren bilateralen tDCS und 1 H-MRS ist bei gesunden Teilnehmern mit einem 3 T-MRT-System demonstriert. Bihemispheric tDCS wird präsentiert, um Daten mit einer früheren Studie, in der MRS einseitige kathodische oder unilaterale anodale tDCS wurden über motorischen Kortex 34 angelegt kontrastieren. Das Protokoll wurde speziell für die Stimulation mit einem neuroConn Stimulator in einem Siemens 3 T Scanner Durchführung MEGA-PRESS 1 H-MRS beschrieben.

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Protocol

Die Studie wurde von der Forschung und Gemeinschaftsethik Beschwerde Unité de Neuroimagerie fonctionnelle und Universität von Montréal zugelassen und wurde in Übereinstimmung mit dem Verhaltenskodex geschehen wie in der Deklaration von Helsinki angegeben. Alle Probanden gaben eine schriftliche Einverständniserklärung nach sorgfältiger Screening für MRI-Kompatibilität und wurden finanziell für ihre Teilnahme kompensiert.

1. tDCS Werkstoff

  1. Achten Sie darauf, alle notwendigen Materialien sind vor dem Start des Experiments (siehe Abbildung 1 für Liste) zur Verfügung.
    Hinweis: Verschiedene Elektrodengrößen sind für tDCS zur Verfügung. Für diese Studie wurden zwei 5 x 7 cm Gummielektroden verwendet werden. Andere Abmessungen können abhängig von dem Bereich der Stimulation und der gewünschten Fokalität der Stimulations 48 gewählt werden.
  2. Achten Sie darauf, zu prüfen, ob die Batterien der DC-Stimulator geladen und regelmäßig aufladen, da das Gerät nicht geladen oder eingesteckten du werdenRing Stimulation aus Sicherheitsgründen.

2. Planung der Bedingungen für die Stimulation

  1. Schalten Sie das Gerät tDCS nach den Anweisungen, die mit dem Gerät bei. Voreingestellte die tDCS-Gerät für zwei verschiedene Stimulationsarten (aktive und Schein).
  2. Da einige Geräte nicht über einen voreingestellten Modus, wählen Sie die entsprechenden Schein Parameter vor dem Start Stimulation.
    1. Vordefinieren einen Satz von Parametern durch das Laden einer Einstellung. Drücken Sie die Taste 2 oder 4 bis aus dem Hauptmenü die Option "System" auswählen (siehe Abbildung 2).
    2. Bewegen Sie den Cursor in die Linie 2 auf dem Display durch Drücken der Taste 3.
    3. Drücken Sie die Taste 2 oder 4, bis der "Lasteinstellung" zeigt auf dem Display. Drücken Sie die Taste 3.
    4. Wählen Sie den Buchstaben von der Einstellung (A, B, C oder D) durch Drücken der Taste 2 oder 4.
    5. Bewegen Sie den Cursor nach oben mit der Taste 1. Im Display erscheint automatisch die Option "Parameter".
    6. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. gehen Wählen Sie die "fade in" Option aus dem Menü des Gerätes durch Drücken der Taste 2 oder 4. Drücken Sie die Taste 3, um die Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Tasten 2 und 4, um die Dauer bis 15 s einzustellen.
      Hinweis: Fade in Dauern kann geändert werden.
    7. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. gehen Wählen Sie die Option "Fade Out" aus dem Menü des Gerätes durch Drücken der Tasten 2 oder 4. Drücken Sie die Taste 3, um die Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Tasten 2 und 4, um die Dauer bis 15 s einzustellen.
      Hinweis: Fade in Dauern kann geändert werden.
    8. Drücken Sie die Taste 1, um wieder auf die Linie 3. Pres gehens die Taste 2 oder 4, bis die Option "Dauer" zeigt auf dem Display-Menü. Drücken Sie die Taste 3 bis zur Linie 4 zu gehen und drücken Sie die Taste 2 und 4, um die Dauer zu der Mindestlaufzeit auf dem Gerät verfügbar einzustellen (15 s für das vorliegende Gerät, siehe Abbildung 3b).
      Hinweis: Dies wird ein Kribbeln ähnlich der aktiven Stimulation induzieren.
  3. Drücken Sie die Tasten 1 und 3 gleichzeitig, um die Änderungen der Einstellungen zu speichern.
  4. Pre-Programm die aktiven Stimulationsparameter. Um dies zu tun, folgen Sie den Anweisungen wie bei der Einstellung der Scheinstimulation, sondern programmieren die Dauer bis 1200 s (20 min; siehe Abbildung 3a).
  5. Pre-Programm die Teststimulationsparameter. Um dies zu tun, folgen Sie den Anweisungen wie bei der Einstellung der Scheinstimulation sondern programmieren die Dauer auf 45 Sekunden.
    Hinweis: Die Teststimulation wird für die Messung der Impedanz vor dem Test eingesetzt werden.
  6. Pseudo-randie Bedingungen der Stimulation Abfolge ab zuweisen an die Teilnehmer.
  7. Weisen Sie eine Nummer zu jedem der drei Bedingungen für einen blinden Experimente: 1) bilaterale: anodale rechten kathodische links; 2) bilateral: anodale links kathodische rechts; 3) Schein: anodale rechten kathodische links.

3. Consenting die Teilnehmer

  1. Informieren Sie den Teilnehmer des Verfahrens und unterzeichnen Einverständniserklärung.
    1. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer keine Kontraindikation für die tDCS haben: eine psychiatrische oder neurologische Geschichte, die Anwesenheit von einem Herzschrittmacher, Metall in Schädel implantiert, eine Geschichte von Ohnmacht, eine Vorgeschichte von Krampfanfällen, eine Geschichte von Drogenmissbrauch, einer Familiengeschichte der Beschlagnahme, eine Geschichte der Fieberanfälle, ein Mangel an Schlaf in der vorangegangenen Nacht, eine Geschichte der Empfindlichkeit der Haut, und jeder Alkoholkonsum am Vortag.
    2. Informieren Sie den Teilnehmer der berichteten Nebenwirkungen von tDCS: leichtes Kribbeln; moderate Müdigkeit; Lichtempfindung von Juckreiz unter den Elektroden; leichtBrennen.
  2. Informieren Sie den Teilnehmer der üblichen MR Kontraindikationen und Nebenwirkungen.

4. Messungen für Elektroden Platzierung

  1. Verwenden Sie die 10/20 internationalen System, die folgenden Sehenswürdigkeiten auf der Teilnehmer Kopf zu finden: Nasion und Inion (Abbildung 4a), präaurikulären Punkte und die beiden Zielbereichen: C3 und C4 (Abbildung 4b).
    1. Suchen Sie die Nasion als deutliche depressive Bereich auf der Brücke der Nase auf der Ebene zwischen beiden Augen entfernt. Suchen Sie den Inions als das auffälligste Projektion des Hinterhauptbein am unteren Teil des Schädels entfernt. Suchen Sie den präaurikulären Punkt nahe jedem Ohr; es ist die Einbuchtung über dem Jochbein Kerbe. Finde die C3 und C4 der Basis von Messungen, wie unten beschrieben.
  2. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen dem Nasion und Inion entlang der Mittellinie des Kopfes zu messen und eine Markierung bei 50% des Abstandes witha nicht-ständigen Wassermarkierung.
  3. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen den beiden präaurikulären Punkten zu messen und eine Markierung mit einem nicht-ständigen Wasser Marker bei 50% der Strecke im Einklang mit der bisherigen Marke. Dieser Punkt entspricht Cz (Vertex).
  4. Von der Cz, entlang der Linie zwischen den präaurikulären Punkte erstellt, markieren Sie zwei Punkte, eine auf jeder Seite, mit einem nicht-ständigen Wasser Marker, der zu 20% der Gesamtstrecke entsprechen. Diese Markierungen entsprechen die Zielbereiche (C3 und C4, Figur 4b).
    Hinweis: Andere Verfahren wie TMS oder Neuro können auch verwendet werden, um M1 zu lokalisieren.

5. Platzierung der Elektroden

  1. Bewegen Sie sich so viel Haar wie möglich weg von den Zielgebieten, die gefördert werden sollen. Tragen Sie eine EEG-Art Peeling-Gel mit einem Baumwolltupfer, um die Zielgebiete zu reinigen.
  2. Reinigen Sie die Zielgebiete mit 70% Isopropylalkohol und Bimsstein prepping Pad Elektrodenkontakt zu verbessern.
  3. Großzügig decken die gesamte Elektrode mit einem EEG-leitende Paste. Sicherzustellen, dass die Paste ist ungefähr 5 mm dick über die gesamte Oberfläche. Stellen Sie sicher, die gesamte Gummibereich ist mit Paste bedeckt. Leicht benetzen die Zielbereiche und der leitfähigen Paste auf die Elektroden mit einer Salzlösung.
  4. Positionieren Sie die Elektroden, wie in 4b gezeigt, und drücken Sie die Elektroden fest auf den Zielgebieten. Legen Sie ein Gummiband um den Kopf des Teilnehmers, um eine optimale Stabilität der Elektroden zu gewährleisten. Passen Sie sie in einer Weise, dass der Teilnehmer keine Schmerzen oder Beschwerden während des Scan-Sitzung zu erleben.
  5. Stellen Sie sicher, dass die Leitungen nicht in Kontakt mit der Haut in Berührung kommen, um mögliche Verbrennungen zu vermeiden.

6. tDCS-Test außerhalb des Scanners Zimmer

  1. Mit einem Multimeter, das ordnungsgemäße Funktionieren des Elektrodenkabels und Widerstand überprüfen.
  2. Schalten Sie das Gerät tDCS und laden Sie die Teststimulation Einstellungen. Drücken Sie die Taste 2 oder 4 bis aus dem Hauptmenü die Option "System" auswählen. Bewegen Sie den Cursor in die Linie 2 auf dem Display durch Drücken der Taste 3. Drücken Sie die Taste 2 oder 4, bis der "Lasteinstellung" zeigt auf dem Display. Drücken Sie die Taste 3. den Buchstaben des vorprogrammierten Testeinstellung (A, B, C oder D) durch Drücken der Taste Wählen Sie 2 oder 4.
  3. Bewegen Sie den Cursor nach oben mit der Taste 1. Im Display erscheint automatisch die Option "Parameter". In der ersten Zeile, drücken Sie die Taste 2. Im Display erscheint "Stimulation?" mit den verschiedenen vorprogrammierten Parametern.
  • Drücken Sie die Taste 1, um die Stimulation zu beginnen. Das Display zeigt die Impedanzniveau zeigen und automatisch zu stoppen, wenn es mehr als 20 kOhm erreicht. Wenn die Impedanzpegel über 20 kOhm ist, ziehen Sie die Elektrodendrähte von der Innenfeld und die Scan-Raum, um die Positionierung der Elektroden überprüfen zu verlassen.
  • Wiederholen Sie die Teststimulation. Wenn ein gutes Niveau der impedance erreicht ist und wenn die Teststimulation ist vorbei, ziehen Sie die Elektroden vom Innenfeld.

    • 7. tDCS-Setup

    1. Wie in Abbildung 5 dargestellt, legen Sie die tDCS-Gerät und die äußere Box in der Scanner-Kontrollraum.
      Hinweis: Die tDCS Einrichtung und die äußere Box nicht MR-kompatibel und nicht in den Magnet Umgebung entnommen werden.
    2. Stecken Sie die äußere Box Drähte in die tDCS-Gerät und stecken Sie dann den langen Kasten-Kabel in die äußere Box.
    3. Führen Sie die tDCS-Box-Kabel vom Scanner Kontrollraum in den MRT-Raum. Achten Sie darauf, dieses Kabel so gerade wie möglich laufen, vermeiden Knicke oder Schlaufen, die entlang der Wand des MRT-Raum in Richtung der Rückseite des MRI-Scanner. Setzen mehrere MR-kompatible Sandsäcke auf dem Kabel, um ihre Stabilität zu gewährleisten, wie in Figur 5 gezeigt.
    4. Bringen Sie den inneren Kasten in den MRT-Raum und stecken Sie den Langkasten Kabel hinein (Abbildung 5).

    8. MRI Scan Preitung

    1. Bitten Sie den Teilnehmer, den MRT-Raum geben, wenn nicht bereits dort von der tDCS-Test und in Ohrstöpsel.
    2. Eine dünne Kissen unter dem Spulenbereich des MRI Tisch. Fragen Sie die Teilnehmer, auf den Tisch zu legen. Setzen ein Kissen unter den Beinen des Teilnehmers für Komfort und eine Decke, wenn nötig. Geben Sie dem Teilnehmer den Alarmknopf zu Sicherheitszwecken.
    3. Setzen separaten Kopfhörer über beide Ohren, um die Übertragung von Informationen aus dem Scanner Kontrollraum an den Teilnehmer im MRT-Raum zu ermöglichen.
    4. Positionieren der Kopf des Teilnehmers so hoch wie möglich unter dem Bereich, wo der Kopfspule (Oberseite des Kopfes so dicht wie möglich an der Spitze der Tabelle, wo die Spule platziert wird) positioniert werden. Setzen Sie die Elektrodendrähte entlang der rechten Seite des Kopfes des Teilnehmers, wie von der Geräteunternehmen tDCS empfohlen.
    5. Legen Sie die 32-Kanal-Nur-Empfangs-Spule, die um den Kopf des Teilnehmers. Führen Sie die Elektrodenkabel durchdie rechte Seite der Spule. Positionieren Sie den Kopf des Teilnehmers so gerade wie möglich unter Verwendung eines roten Positionslaser (integrierte Funktion des Scanners).
    6. Fragen Sie die Teilnehmer, um Arme und Beine in eine bequeme Position zu bewegen, gleichzeitig aber dafür sorgen, dass die Hände nicht berühren. Achten Sie darauf, um den Teilnehmer zu erinnern, so ruhig wie möglich während der gesamten Sitzung zu bleiben. Wenn der Teilnehmer bereit ist, bewegen Sie die Tabelle über die Mittellinie, um die Elektrodendrähte an der Rückseite des Scanners zu erreichen.
    7. Verwenden medizinisches Band, das Elektrodenkabel an der rechten Seite der Rückseite der Spule zu stabilisieren. Stecken Sie die Elektrodendrähte im Inneren des Scanners in die tDCS Innenkasten. Wird die innere Kasten auf der rechten Seite des Scanners mit einem Sandsack auf sie für maximale Stabilität.
    8. Bewegen Sie den Tisch wieder in seine endgültige Position. Halten die tDCS schaltet und die Elektroden in die äußere Box für den gesamten MRI-Sitzung verbunden ist.

    9. Pre-tDCS 1 H-MRS Session

    Führen Sie einen Localizer-Sequenz, um Bilder benötigt, um die richtige Positionierung des Kopfes Akkreditierung und zu einem zweiten Localizer, die am Ende der Sitzung erworben werden, für Gesamtbewegung zu überprüfen vergleichen zu erwerben.
  • Erwerben anatomischen T 1 -gewichteten Bildern MPRAGE zur Positionierung des M1 Voxel und Detektion von möglichen strukturellen Anomalien (T R = 2,300 ms; T E = 2,91 msec, FA: 9 °; FOV = 256 x 256 mm; 256 x 256-Matrix ; T I: 900 ms; 176 Scheiben; Orientierung: sagittal; Erfassungszeit: 4 min 12 sec).
  • Führen Sie eine Multiplaner Rekonstruktion der Bilder in Ebenen, die mehr für die Visualisierung der Spektroskopie Volumen-of-Interest (VOI) geeignet sind.
    1. In der 3D-Karte, einige der MPRAGE Rohbilder (sagittale Orientierung). Aus dem Fenster "Erstellen parallel Bereiche" wählen Sie "axiale 2X2". Passen Sie die Position der parallelen Linien und klicken Sie auf Speichern, um die axiale orthogonale Ansicht erstellen.
    2. Aus dem Fenster "Erstellen parallel Bereiche" wählen Sie "koronalen 2X2". Passen Sie die Position der parallelen Linien, und klicken Sie auf "Speichern", um den koronalen orthogonale Ansicht erstellen.
  • Suchen Sie den linken M1 basierend auf Yousry und Kollaborateure 49 anatomischen Landmarken auf den drei Orientierungsscheiben. Dann positionieren Sie den VOI (30 x 30 x 30 mm 3) auf dem Gebiet ohne Winke relativ zu den Scanner-Achse (Abbildung 6).
  • Erwerben Sie eine Linienbreite Scan (21 s).
    1. Wählen Sie das Spektroskopie-Karte auf Wasserlinienbreite auf der Realteil des Signals von diesem Linienbreite Scan messen. Legen Sie die Linienbreite Rohdaten aus dem Browser. Legen Sie die Linienbreite Messprotokoll (Protokolle Menü: Wählen Sie das Protokoll).
    2. Stellen Sie die Phase mit den Scanner-Software interaktive Nachbearbeitung Tools. Wählen Sie das Phasenkorrekturabschnitt und stellen Sie die Phase für die Baseline mit dem Cursor.
    3. Um die Linienbreite zu reduzieren,führen Sie den FAST (EST) MAP 50 Sequenz dreimal. Wiederholen Sie die Linienbreite Scan und das Line-Breitenmessung (Schritt 9.5). Beachten Sie den letzten Wasserlinienbreite.
  • Starten Sie 4 Blöcke von 64 Metaboliten Scans (32 "EDIT OFF" und 32 "EDIT ON", verschachtelt) mit einem MEGA-PRESS-Sequenz 44,45, wo VAPOR 51, OVS 51 und individuelle Speicherung von FIDs aktiviert sind (T R = 3 s, T E = 68 ms, Gesamterfassungszeit: 12 min)
  • Eignen Sie sich ein Wasserbezugs mit MEGA-PRESS Sequenz ohne MEGA Wasserunterdrückung, mit VAPOR Unterdrückung ("nur RF off") und mit einer Delta-Messung bei 0 ppm. Erwerben Sie einen einzelnen Block von 4 Metaboliten Scans statt 64 (Erfassungszeit: 42 sec).

    • 10. tDCS Ordnung

    1. Informieren Sie den Teilnehmer, der tDCS Stimulation beginnt und dass der Scanner schwieg die ganze Stimulation sein.
    2. Wählen Sie eine der beiden zuvor programmte Parameter entsprechend dem Zustand und starten die Stimulation. Verfolgen Sie die Impedanz und Spannung während der 20 min der Stimulation. Wenn die Stimulation ist vorbei, teilt der Teilnehmer, dass die Post-tDCS MRS-Sitzung beginnt. Schalten Sie nicht die tDCS-Gerät.

    11. Post-tDCS 1 H-MRS Session

    1. Führen Sie die gleichen Metaboliten Scans mit MEGA-PRESS Sequenz wie die Pre-tDCS scannen aber Doppel den Blöcken des Erwerbs (8 Blöcke von 64 Scans (32 "EDIT OFF" und 32 "EDIT ON", verschachtelt)), um die Stoffwechselprodukte an zwei erwerben verschiedenen Zeitpunkten nach der tDCS.
    2. Wie bei der Pre-tDCS Sitzung erwerben ein Wasser Referenz-Scan mit den gleichen Parametern. Beenden Sie die Sitzung mit einem Lokalisierungssequenz.
    3. Visuell vergleichen die Lokalisierungsbilder am Anfang und Ende des Scan-Sitzung als Index der Kopfbewegung erworben.
    4. Besuchen Sie die Smartcard und gehen Sie zu Browser-Menü. Wählen Sie den ersten und zweiten lokalenizer Rohbilder. Laden Sie die Bilder in der Sichtkarte und vergleichen die beiden Bilder. Exportdaten im DICOM-Format über den Server.

    12. Analyse des 1 H-MRS Daten

    1. Importieren von Daten mit Hilfe eines Programmier- und Bearbeitungssoftware und passen Frequenz und Phase individuell gespeichert FIDs mit tCr und TCHO Signal zwischen 2,85 und 3,40 ppm. Um dies zu tun, verwenden Sie lsqnonlin Funktion der Software auf die Frequenz und Phase jeder einzelnen Fourier-transformierten FIDs (Spektren) auf den Mittelwert Spektren der Sitzung passen.
      Hinweis: Dies ist eine ortsspezifische Herangehensweise und andere Methoden für den Import und die Analyse von Daten nicht unbedingt auf die Datenqualität.
    2. Um die endgültige Spektren zu erhalten, subtrahieren die Signale von alternativen Scans mit den selektiven Doppel-gebändert Impulse, die bei 4,7 ppm und 7,5 ppm ("EDIT OFF") angewendet wurden und bei 1,9 ppm und 4,7 ppm ("EDIT ON") (Abbildung 7 ).
    3. Verwenden Sie die LCModel 52für die Analyse von sowohl Differenz und "EDIT OFF" Spektren. Deaktivieren Sie Standardsimulationen und Baseline-Modellierung.
    4. Führen Sie eine Sichtprüfung der Spektren, dass Sitzungen mit Verunreinigungen von subscapularis Lipidsignal auszuschließen (siehe B ild 9).
    5. Im Rahmen der Qualitätskontrolle, auszuschließen Spektren mit Linienbreite von TCR-CH 3 über 10 Hz. Nur sind in den Analyse Metaboliten (GABA, Glx, TCR tnaA), die mit Cramer-Rao Untergrenzen (CRLB) niedriger als 35% quantifiziert wurden.
      Hinweis: CRLB bieten geschätzte Fehler des Metaboliten Quantifizierung. CRLB> 50% ist nicht zuverlässig, und eine empfohlene Cut-off von LCModel Buch. Viele auf dem Gebiet haben eine CRLB niedriger als 35% als Standard zusätzlich verwendet. 53-55 sollte die CRLB bei der Interpretation der Ergebnisse zu halten.
    6. Erhalten GABA und Glx Quantifizierungen von der "DIFF" Spektren, tCr vom "EDIT OFF" Spektren und tnaA sowohl "EDIT OFF" und "; DIFF "Express Konzentrationen der verschiedenen Metaboliten von Interesse als Verhältnisse über tCr Für GABA und Glx, multiplizieren das Verhältnis von der folgenden Gruppe gemittelten Korrekturfaktor für die für den Zähler und Nenner (tnaA aus gebrauchten verschiedenen Basissatz zu berücksichtigen.." EDIT OFF "Spektren / tnaA von" DIFF "Spektren).
      Hinweis: Hinweis: GABA und Glx Konzentrationen können auch mit Wasser oder NAA Signal quantifiziert werden.

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    Representative Results

    Abbildung 6 zeigt die Position des VOI auf der Darstellung der Hand in M1, wo alle MRS Maßnahmen ergriffen wurden entfernt. In 6D, ein 3D-Visualisierung zeigt eine übersichtliche Darstellung der tDCS Elektroden auf der Kopfhaut über dem vermeintlichen primären motorischen Kortex positioniert. 7 zeigt repräsentative "EDIT OFF" und Differenz ("Diff") Spektren in M1 erworben. Peaks, Glx, GABA + MM sowie NAA kann deutlich gesehen werden.

    Figur 8 zeigt den Prozentsatz der Änderung zwischen den MRS Nahme vorge tDCS und post tDCS für die drei verschiedenen Bedingungen in einem einzelnen Teilnehmer. Ergebnisse aus dem Nach-tDCS Sitzung werden in zwei getrennten Zeitpunkten, um die Entwicklung der Veränderungen über die Zeit veranschaulichen, Fig. 8a zeigt den Prozentsatz der Veränderung für Glx. Für Scheinstimulation, Glx Konzentration zeigt keine nennenswerte Modulation. Für bilaterale stimunung 1 (linke anodale rechten kathodische), wiederum keine nennenswerte Modulation Glx beobachtet; jedoch ist die Modulation der Konzentration über die Zeit gegenüber, was in der Schein Stimulation beobachtet. Was schließlich die bilaterale Stimulation 2 (links kathodale rechten anodale), ein ähnliches Muster ist mit dem Schein-Stimulation aber mit einer bemerkenswerten Verbesserung der Glx Konzentration in der zweiten Zeitpunkt nach Stimulation beobachtet.

    Figur 8b zeigt den Prozentsatz der Änderung der Konzentration von GABA in Bezug auf den Zustand der Stimulation. Für die Scheinstimulation, GABA-Konzentration zeigt keine nennenswerte Modulation. Es wird jedoch eine geringe Reduktion zu beiden Zeitpunkten beobachtet. Die Modulation der GABA nach der Scheinstimulation ist wichtiger als für die Glx ,. Im Gegensatz dazu ist eine deutliche Zunahme der GABA-Konzentration in der zweiten Zeitpunkt nach bilateraler Stimulation 1 (linke Anode, rechts Kathode) gesehen. Schließlich wird ein ähnliches Muster der Änderungzum Scheinstimulation für die bilaterale Stimulation 2 (links Kathoden rechten Anode) beobachtet.

    Figur 9 zeigt die Spektren von zwei unterschiedlichen Teilnehmern. 9a zeigt ein Spektrum von guter Qualität mit einem akzeptablen Lipiden Signals. 9B zeigt ein Spektrum mit großen Lipidsignale, die nach visueller Inspektion ausgeschlossen wurde. Schließlich zeigt 10 Verschiebung der Lage des interessierenden Voxel folgenden 5 mm Teilnehmerbewegung.

    Figur 1
    Abbildung 1: Werkstoffe. 1) Kochsalzlösung; 2) Conductive Paste; 3) Elektroden Gel; 4) Alkohol prepping Pad; 5) Maßband; 6) EEG Bleistift; 7) Gummibänder; 8) Innerer Kasten; 9) tDCS Einrichtung; 10) Außenfeld; 11) Laderaumkabel; 12) Außenfeld-Kabel; 13) Elektroden; 14) Langfeld-Kabel


    Abbildung 2: tDCS Gerät Bild von der Positionierung der Tasten auf der spezifischen tDCS Gerät im vorliegenden Protokoll verwendet. Diese Tasten dienen zur Voreinstellung die verschiedenen Einstellungen.

    Figur 3
    Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf der tDCS Bedingungen. A) Zeitlicher Verlauf der aktiven tDCS Zustand. Nach dem Pre-tDCS Metabolit Erwerb, schalten Sie das Gerät und tDCS Ramp-up der Strom für 15 sec, bis einer Intensität von 1 mA erreicht ist. Stimulieren Sie für 20 min und Auslaufs der Strom für 15 sec, bis einer Intensität von 0 mA erreicht ist. Schalten Sie nicht die tDCS-Gerät und fahren Sie mit dem Poststimulations Metabolit Akquisition. B) Zeitverlauf der Schein tDCS Zustand. Nach dem Pre-tDCS Metabolit Akquisition, TURn auf der tDCS Vorrichtung und Ramp-up der Strom für 15 Sekunden bis zu einer Intensität von 1 mA erhalten wird. Stimulieren Sie für 15 Sekunden (die Mindestzeit auf dem aktuellen Gerät verfügbar) und Rücklauf der Strom für 15 sec, bis einer Intensität von 0 mA erreicht ist. Warten für 20 min. Schalten Sie nicht die tDCS-Gerät und fahren Sie mit dem Poststimulations Metabolit Akquisition.

    Figur 4
    Abbildung 4: Elektrodenpositionierung A) 10/20 internationalen Systems Sehenswürdigkeiten zur Identifizierung von C3 und C4 verwendet. Der Scheitelpunkt (Cz) entspricht 50% des Abstandes zwischen der Nasenwurzel und der inion und 50% der Entfernung zwischen den beiden Punkten präaurikulären. B) C3 und C4 entsprechen 20% der gesamten Distanz zwischen den Punkten präaurikulären, vom Scheitelpunkt gemessen. Achten Sie darauf, mindestens 8 cm Abstand zwischen den beiden Elektroden zu verlassen.


    Abbildung 5: Schematische Darstellung der MR-Raum. Anordnung der Materialien in den MRT-Untersuchungen und Konsolenräume. Es ist wesentlich, das Protokoll für die Positionierung der verschiedenen Teile der Vorrichtung, um ein MR-Signal von guter Qualität zu erhalten und zu Sicherheitszwecken zu folgen.

    Figur 6
    Abbildung 6: VOI Platzierung. Position des VOI (30 x 30 x 30 mm 3) über den linken Bereich der M1 in (A) sagittal, (B) koronalen, und (C) axialen Schichten. 3D-Visualisierung der Positionierung der Elektroden ist in (D) gezeigt ist.

    Figur 7
    Figur 7: 1 H-MRS Metaboliten specträhm. Repräsentative (A) "EDIT OFF" und (B) Differenz ("Diff") Spektren mit dem MEGA-PRESS-Sequenz 44,45 einschließlich der Rohdaten, die Passung von LCModel und Residuen erworben. Cr: Gesamt Kreatin (Kreatin + Phosphokreatin (Cr-CH 3 + PCr-CH 3)); NAA: N-Acetyl-Aspartat + NAAG (Snaa + NAAG); Glx: Glutamat + Glutamin (Glu + Gln); GABA + MM: γ-Aminobuttersäure + Makromoleküle

    Figur 8
    Abbildung 8: Auswirkungen der bilateralen tDCS auf Glx und GABA für ein einzelnes Thema. A) tDCS Auswirkungen auf Glx Konzentration für die drei Zustände dargestellt. Die Ergebnisse werden als Prozentsatz der Änderung zwischen den vor der tDCS Erwerb und den beiden Poststimulations Akquisitionen ausgedrückt. B) tDCS Wirkung auf die GABA-Konzentration für die drei Zustände dargestellt. Die Ergebnisse sind als Prozentsatz ausgedrückt change zwischen den vor der tDCS Erwerb und den beiden Poststimulations Akquisitionen. Sham: Bilaterale, Bilaterale 1: links Anode, rechts Kathode; Bilaterale 2: links Kathode, Anode rechts

    Figur 9
    Abbildung 9: Sichtprüfung der Spektren A) Beispiel für eine gute Qualitätsdaten. Das Bild zeigt die "EDIT OFF" und "DIFF" Spektren mit einer akzeptablen Menge an Lipiden. SNR aus der Analyse der "DIFF" Spektren: 56 CRLB des GABA-Signal: 14% Lw von TCR-CH 3 bei 3 ppm: 5,6 Hz. B) Beispiel für eine schlechte Datenqualität durch übermäßige Bewegung des Teilnehmers verursacht. Das Bild zeigt die "EDIT OFF" und "DIFF" Spektren. SNR aus der Analyse der "DIFF" Spektren: 39 CRLB des GABA-Signal: 47% Lw von TCR-CH 3 bei 3 ppm: 4,4 Hz


    Abbildung 10: VOI Lage nach der Bewegung Position des VOI (30 x 30 x 30 mm 3) über den linken Bereich der M1 in (A) sagittale und (B) koronalen Scheiben nach einer Bewegung von 5 mm. Einbeziehung der Schädelknochen und der Hirnhäute in die Box würde Einbeziehung von Lipiden und Beseitigung des Scan führen. Die hellgraue Quadrat zeigt die Ausgangsposition des VOI.

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    Discussion

    Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, ein Standardprotokoll für die Kombination von tDCS und 1 H-MRS mit einem 3 T Scanner zu beschreiben. Im nächsten Abschnitt werden methodische Faktoren diskutiert werden.

    Kritische Steps
    Kontra Screening
    Vor dem Versuch, ist es wichtig, für jeden Teilnehmer Bildschirm Kontraindikation zur Verwendung von tDCS und 1 H-MRS. Die Verwendung der folgenden Ausschlusskriterien für tDCS empfohlen: eine psychiatrische oder neurologische Geschichte, die Anwesenheit von einem Herzschrittmacher, ein Stück Metall in den Schädel implantiert, eine Geschichte von Ohnmacht, eine Vorgeschichte von Krampfanfällen oder eine Geschichte von Drogenmissbrauch. Denn nur Metaboliten aus dem linken M1 erworben wird, ist der Ausschluss der Linkshänder Teilnehmer aus der Studie empfohlen. In der Tat hat eine aktuelle Studie Differenz interhemisphärische Hemmung zwischen den dominanten und nicht-dominanten Halbkugeln in Abhängigkeit von der Händigkeit gezeigten, Was den Effekt der Stimulation 15 modulieren können. Darüber hinaus müssen vor Beginn des Versuchs, überprüfen für jede Läsion auf der Kopfhaut und bitten für jeden Hauterkrankungen 56. Wenn es einen vorliegenden Läsion, versuchen zu vermeiden, anregende direkt den betroffenen Bereich. Es wird auch empfohlen, um die Haut nach der Stimulation 57 zu inspizieren. Auch Bildschirm für das Vorhandensein von Allergien zu einem für die Anbringung der Elektroden verwendeten Produkte. 1 H-MRS sollten die Ausschlusskriterien die gleiche wie für jeden Magnetresonanztomographie-Studie, einschließlich der sorgfältigen Auswahl irgend vor Operationen für das Vorhandensein von Metall in dem Körper sein.

    Es ist auch wichtig, festzustellen, ob der Teilnehmer fühlte keine Beschwerden während tDCS Stimulation. Auch nach dem Versuch, Teilnehmer sollte wegen möglicher Nebenwirkungen befragt werden. Es ist möglich, einen Datensatz-Form, einschließlich der am häufigsten gemeldete Nebenwirkungen zu verwenden, um ihre Präsenz in Bezug auf das Protokoll zu quantifizieren (siehe 58ein Beispiel ist). Die berichteten Nebenwirkungen sind mild Kribbeln (70,6%), moderate Müdigkeit (35,3%), eine Lichtempfindung von Juckreiz unter den Elektroden (30,4%) und leichtes Brennen (21,6%) 58.

    Bewegungsartefakte Reduction

    Bewegung des Teilnehmers in dem Scanner ist ein wichtiges Thema bei der 1 H-MRS dies ist einer der wichtigsten Faktoren für die Qualität der Daten 59. Wie in 10 gezeigt, kann eine Bewegung des Objektes (1 mm bis 5 mm), um große Lipide Signal im Spektrum führt somit zur Änderung der Qualität der Daten und folglich, unter Ausschluß der Akquisition von Daten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, um während des gesamten Scan sorgfältig erklären dem Teilnehmer die Bedeutung der Kopfstabilität. Bei der Positionierung des Teilnehmers in dem Scanner ist es wichtig, das Thema zu bitten, die bequemste Position, um eine weitere Bewegung zu verhindern finden. During Positionierung des VOI, ist es auch wichtig, um den Teilnehmer, auch wenn die Abtastung ist still, ist es notwendig, immer noch zu benachrichtigen.

    Darüber hinaus ist die Dauer des Experiments ein wichtiger Faktor zur Minimierung der Gesamtmenge an Bewegung. Erstens ist es wichtig, eine optimale Länge für die anatomischen Sequenz, so kurz wie möglich, aber lang genug zu verwenden, um Bilder von guter Qualität zur Platzierung des VOI erhalten. Zweitens ist die Verwendung einer kurzen Sequenz von Metaboliten Nahme vor tDCS empfohlen. Drittens, um den zeitlichen Verlauf der Stimulationseffekte zu erfassen, die Verwendung einer längeren Sequenz von Erfassungs nach Stimulation wird empfohlen. Viertens vergleichen Pre- und Post-Experiment Lokalisierungsbilder Teilnehmer Bewegung abzuschätzen.

    Analyse
    Der MEGA-PRESS-Sequenz 44,45 wird verwendet, um zu erwerben lokalisierte, Wasser unterdrückt und bearbeitet Spektren. Eine räumliche Lokalisation in PRESS wird mit einer 90 durchgeführt6 ist; Hamming-gefilterten Synchronimpuls (Bandbreite Zeit-Produkt = 8,75, Dauer = 2,12 ms, Bandbreite (FWHM) = 4,2 kHz) und zwei 180 ° mao Pulse (Dauer = 5,25 ms, Bandbreite = 1,2 kHz). Alle Lokalisierungsimpulse bei 3 ppm ausgeführt. Eine selektive Doppelbinden 180 ° Shinnar-Le Roux Impuls auf 1,9 mit 7,5 und 4,7 ppm aufgebracht wird, die Resonanzfrequenz des β-CH 2 GABA und 4,7 ppm Wechsel. Zusätzliche Wasserunterdrückung mit variabler Leistung mit optimierter Entspannung Verzögerungen (Dampf) und Außenvolumen Unterdrückung, OVS 50 wurden für den menschlichen 3 T-System angepasst und vor MEGA-PRESS eingebaut und werden verwendet, um Wasser zu unterdrücken und die Lokalisation des VOI zu verbessern. Wenn der selektive Impuls bei 1,9 ppm aufgebracht wird, werden die Resonanz bei 1,9 ppm und die Resonanzen innerhalb der Bandbreite des Impulses invertiert verursacht Refokussierung der γ-CH 2 Resonanz des GABA ("EDIT"). Wenn der selektive Impuls bei 7,5 ppm aufgebracht wird, die üblichen spectrum bei T E von 68 ms mit der γ-CH 2 Resonanz GABA phasenmodulierten erhalten ("EDIT OFF"). Die Subtraktion von Signalen aus abwechselnden Abtastungen führt zur selektiven Beobachtung äußeren Linien des GABA Triplett und Storno der gesamten Kreatin (Kreatin + Phosphokreatin) Resonanz ("Diff"). Aufgrund der Bandbreite des Inversionsimpuls, werden zusätzliche Resonanzen NAA, Glu + Gln und Makromolekülen beobachtet. Das ganze Protokoll wird in vier verschachtelte Nahmen unterteilt, und die Frequenz wird vor jedem einzelnen Zyklus aktualisiert, um die Frequenzdrift aufgrund der Minimierung der Hardware. Die verschachtelten Erwerb und Einzel FID Speicher ermöglicht die Korrektur von Frequenz und Phase in der Nachbearbeitung.

    Die in dem Protokoll beschriebene Analysemethode ermöglicht die Berechnung der besten Anpassung der experimentellen Spektrum als eine lineare Kombination von Modellspektren. Modellspektren im Basissatz für"EDIT OFF" Spektren wurden anhand von Dichtematrixformalismus 59 simuliert und bekannte chemische Verschiebungen und J Kupplungen 60 und enthalten die folgenden: Acetylgruppe von N -acetylaspartate (Snaa), Alanin (Ala), Ascorbat (Asc), Aspartat (Asp ), Aspartat-Rest von NAA (MNAA), CH 2 -Gruppe der Cr (Cr-CH 2), CH 3 Gruppe von Cr (Cr-CH 2), CH 2 -Gruppe von PCR (PCR-CH 2), CH 3 Gruppe PCR (PCR-CH 2), GABA, Glucose (Glc), Glu, Gln, Glycerophosphorylcholin (GPC), Glycin (Gly), Glutathion (GSH), Laktat (Lac), Myo-Inositol (MI), N -acetylaspartylglutamate ( NAAG), Phosphorylcholin (PCHO), Phosphorylethanolamin (PE), scyllo-Inositol (Si) und Taurin.

    Die Basis für "DIFF" Spektren gesetzt wurde aus experimentell gemessenen Spektren von vier 100 mM Lösungen von NAA, GABA, Glu und Gln (600 ml kugelförmigen Glas f erzeugtlasks) unter Verwendung der gleichen Parameter und Scanner zur in vivo Experimenten. Jede Lösung enthielt zusätzlich K 2 HPO 4 (72 mM), KH 2 PO 4 (28 mM), Natriumazid (0,1 mM), 3- (Trimethylsilyl) -1-propansulfonsäure-Natriumsalz (TSP; 2 mM), Formiat ( 200 mM; optional) und destilliertem Wasser. Der Basissatz Spektren wurden bei der physiologischen Temperatur von 37 ° C und jede Anstrengung gewonnen wurde, zu minimieren Kühl (~ 1 ° C innerhalb des 15 Erfassung) durch Vorheizen der Phantome in einem großen Wassertank, bevor jedes in einer kleineren Wasser -gefüllten isoliert Kunststoffbehälter, die in der Spule platziert wurde. Temperatur und pH-Wert sind besonders wichtig in der Spektroskopie, da sie die chemische Verschiebung der Metaboliten beeinflussen. Zusätzlich wird für beide "EDIT OFF" und "DIFF" Spektren enthalten Basissätze ein Metabolit-genullt makromolekularen Spektrum experimentell aus 10 Themen aus dem Occipitalrinde über die gemesseneInversion-Recovery (Inversionszeit, T I = 760 ms) Technik mit den gleichen Parametern wie die reguläre MEGA-PRESS Akquisition (außer T R = 2,7 s) 61.

    Phantom Testing
    Testen Sie den Vorgang auf einem 100 mM GABA Phantom mit und ohne die tDCS Stimulator, die auf die Teilnehmer mit den genauen Scanner und Sequenzparameter wird dringend empfohlen, vor der ersten Teilnehmer untersucht verwendet wird. Das Verfahren sollte eine Lokalisierungssequenz, eine anatomische Sequenz (dh MPRAGE), eine Linienbreite Scan und 16 "EDIT ON" und "EDIT OFF" Scans umfassen. Dies sollte wiederholt werden, wenn Stimulator, Stimulationsparameter oder Scanner geändert werden. Um das Vorhandensein von Artefakten auf der Signal untersuchen, sollte man Spektren für Änderungen in SNR mit und ohne tDCS Simulator überprüfen, Vorhandensein von Spitzen und Rauschen bei bestimmten Frequenzen, und die SNR-Werte und alle wichtigen Artefakt auf dem anatomischen images.

    Mögliche Änderungen des Protokolls
    1 H-MRS-Parameter
    Um Metabolitenkonzentrationen unter Verwendung von 1 H-MRS zu erwerben, ist es notwendig, einen bestimmten Bereich zu lokalisieren und anzuregen Signale in diesem Band 35. In der vorliegenden Arbeit wurde das Verfahren für die Platzierung eines einzelnen VOI über links M1 beschrieben. Jedoch können viele verschiedene Modifikationen an diesem Protokoll angewendet werden. Erfolgreiche Messung der Metaboliten-Konzentrationen in verschiedenen kortikalen und subkortikalen Regionen, wie den präfrontalen Kortex 62 gezeigt, Hippocampus 63, Cerebellum und Pons striatum 64, Sehrinde 66 und 67 auditorischen Cortex. Die Größe des VOI kann auch in Abhängigkeit von dem interessierenden Bereich unterscheiden, aber das Volumen typischerweise im Bereich zwischen 3 und 27 cm 3 68. Jedoch ist es schwierig, Konzentration niedriger Konzentration Metaboliten suc erhaltenh als GABA aus Voxel kleiner als 20 cm 3. Ein wichtiger Punkt ist, um sicherzustellen, um jeden Kontakt des VOI mit den Schädelknochen, Hirnhäute, und extra-zerebralen Zerebrospinalflüssigkeit zu vermeiden. In kleinere Gehirne, könnte der VOI gehören Teil des linken Seitenventrikels. In diesem Fall ist die Aufnahme der Herzkammer über die Aufnahme von Schädelknochen bevorzugt.

    Zusätzlich, abhängig von dem ausgewählten Akquisitionssequenz können verschiedene Metaboliten quantifiziert 69 werden. Früheren Verfahren, wie der Punkt-RE-Gelöst-Spektroskopie (PRESS) Sequenz 70 und stimulierte Echoerfassungsmodus (Dampf) 71, nicht die Quantifizierung von GABA ermöglichen bei 1,5 T. Da jedoch der Polarität spezifische Wirkung der tDCS auf kortikale Erregbarkeit, ist die Quantifizierung der beiden erregenden (Glutamat) und hemmenden (GABA) Neurotransmitter unerlässlich. Im vorliegenden Protokoll wurde die Nutzung der MEGA-PRESS spektrale Editierreihenfolge 44,45 gezeigt, Die die Quantifizierung der wichtigsten Neurochemikalien, einschließlich GABA ermöglicht (siehe Abbildung 6). Andere Sequenzen, die GABA Quantifizierung, wie ultrakurze TE MRS und J -resolved MRS, haben sich in den letzten Jahren (siehe 41 für einen Überblick) entwickelt worden.

    Da schließlich Metaboliten-Konzentrationen werden in der Regel als Verhältnis in Bezug auf einen anderen Metaboliten (relative Konzentration) ausgedrückt wird, ist die Wahl des Referenz Metaboliten sehr wichtig, und insbesondere so in Studien an 69 klinischen Populationen. Die am häufigsten verwendeten Bezugs Metaboliten tCr und NAA, wie ihre Konzentrationen gefunden werden im menschlichen Gehirn relativ stabil zu sein. Es sollte angemerkt ist es auch möglich, eine absolute Quantifizierung der Metaboliten, die Referenzierung auf entweder einer äußeren (zB Phantom) erfordert oder interne Signal (zB Wasser-Signal) 68 zu verwenden. Die Verwendung eines internen Referenz Wasser erfordert einen zusätzlichenSchritt des Teilkorrektur, da die Wasserkonzentration und Entspannung Eigenschaften unterscheiden zwischen der grauen Substanz, weiße Substanz und Liquor (CSF). 72 Das Gewebe Korrektur kann unter Verwendung der geschätzten Gewebezusammensetzung im VOI aller Teilnehmer oder mit fachspezifischen Gewebezusammensetzung durchgeführt werden, entweder von Segmentierungs 73. Zusätzlich sollte beachtet werden, dass tDCS trägt das theoretische Risiko der Induktion Ödem, die einen geringen Einfluss auf die Wasserkonzentrationen haben könnten. Allerdings Nitsche und Mitarbeiter 74 direkt dieses spezielle Anliegen geprüft und zeigten keine Anzeichen eines Ödems folgenden tDCS auf dem frontalen Kortex. Folglich wird die Verwendung eines wasserReferenz als eine praktikable Option.

    tDCS Parameter
    Verschiedene Elektroden Größen in Abhängigkeit von der Region und der gewünschten Stimulations Fokalität Stimulations 75,76 9 verwendet werden. Da Silva und Mitarbeiter 56 1 H-MRS eine nützliche Technik, die verwendet werden können, um die zugrunde liegenden Mechanismen der Wirkung von spezifischen tDCS Protokolle, die gezeigt haben, um die Symptome in verschiedenen klinischen Populationen zu verbessern überprüfen. Elektrodenpositionierung und die Dauer der Stimulation kann modifiziert werden, um die Wirkung dieser spezifischen tDCS Protokolle, wie jene, die man bei der Behandlung von Schmerzen, Depressionen, Tinnitus, Parkinson, Migräne, und Alkoholmissbrauch eingesetzt wurden (siehe 77 für eine Beschreibung der Protokolle werden ). Es sollte auch darauf hingewiesen, dass, wenn die Impedanz Niveau über 20 kOhm ist, wird das Gerät nicht stimulieren und zeigen eine Impedanz Fehlermeldung auf dem Bildschirm werden. Faktoren, die eine hohe Impedanz verursachen können, gehören: 1) unzureichende Menge an leitfähiger Paste auf den Elektroden; 2) nicht ausreichend Druck auf die Elektroden; 3) schlechte ZusammenarbeitNTACT mit der Kopfhaut (durch Haare verursacht); 4) Verdickung der Kopfhaut wegen Haarausfall; 5) Probleme mit Anschlüssen; 6) Probleme mit Verkabelung; (7) Probleme mit Stimulator; und 8) Probleme mit Elektroden.

    Es sollte auch beachtet werden, dass die Lokalisierung von primären Motorkortex für tDCS könnte präziser gemacht werden kann. Im vorliegenden Protokoll wird die 10/20 EEG-System verwendet, das leichte Fehlausrichtung zwischen maximalen elektrischen Feldprojektion und tatsächliche Darstellung von M1 im Gyrus praecentralis vorstellen kann. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin transkranielle Magnetstimulation verwenden, um genau zu lokalisieren die Hand Vertretung in M1 durch die TMS-induzierte Muskelreaktion. Verfügbarkeit eines TMS-Einheit in der Nähe des MR-Scanner kann diese Möglichkeit einzuschränken.

    Sicherheit von tDCS und 1 H-MRS
    Sicherheit von tDCS
    Mehrere Studien haben gezeigt, dass tDCS isteine sichere Neuromodulation Technik Herstellung in beiden nicht-klinischen und klinischen Populationen 10 nur geringe Nebenwirkungen. In der Tat, kein Fall von epileptischen Anfall hat schon einmal folgende tDCS 10 gemeldet. Doch die Sicherheit der tDCS noch in Kinder und schwangere Frauen 78 untersucht werden.

    MR-kompatible Materialien
    Vorsicht ist geboten bei der Stimulation innerhalb eines MR-Scanner aufgenommen werden. Alle Materialien in den MR Raum sind MR kompatibel sein (siehe Abbildung 1). Wegen der möglichen Wechselwirkung zwischen dem von der tDCS und dem MR-Scanner erzeugte elektrische Strom sollte tDCS immer eingeschaltet sein, und die Elektroden verbunden bleiben soll, während der in diesem Protokoll beschriebenen MR-Sequenzen. Wickeln der Drähte unter der Kopfspule kann Artefakte und Verzerrungen im Signal zu erzeugen. Darüber hinaus könnte durch unsachgemäßen Anschluss der Drähte potentiell einen Strom stark genug, um den Teilnehmer zu brennen <sup> 79. Schließlich ist es wichtig, niemals die während der Strom fließt Elektroden trennen, da dies ein unerwünschtes Hochspannungsstimulation verursachen.

    tDCS-MRS-Technik
    Verwendung tDCS in Verbindung mit MRS bietet die Möglichkeit, den Mechanismus zugrunde liegende Modulation der Aktivität des Gehirns mit dieser relativ neuen Neuromodulation Technik besser zu verstehen. Jedoch sollten einige Einschränkungen der Technik angesprochen werden. Zunächst werden die in tDCS verwendeten Elektroden sind üblicherweise ziemlich groß und die Wirkung der Stimulation wird angenommen, dass eine große räumliche Ausdehnung von Hirngewebe zu bedecken. Mit der Tatsache, dass MRS Nahme auf einen kleinen interessierenden Voxel beschränkt gekoppelt tDCS-MRS erlaubt nur für die Beurteilung der trotz vermutet verbreitet Modulation der Erregbarkeit des Gehirns räumlich umschriebenen Wirkungen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, mehrere Voxel von Interesse im gesamten Gehirn verteilt enthalten. Dies wird jedoch siglich erhöhen Dauer der experimentellen Sitzung, die bereits eine große Einschränkung der vorliegenden Technik. Tatsächlich, wenn man Teilnehmer Vorbereitung, Pre-tDCS MRS, tDCS Intervention und post tDCS MRS, eine vollständige Sitzung kann leicht bis zu zwei Stunden. Dauer kann sich erhöhen, wenn man den zeitlichen Verlauf der tDCS Wirkungen auf Stoffwechselprodukt-Konzentration anzeigen möchte.

    Ein wichtiges Thema, um die Dauer des Experiments verbunden ist die Möglichkeit, die Elektrodenimpedanz zu erhöhen, nachdem der Teilnehmer in den Scanner. Seit tDCS leicht beginnen mehr als 45 Minuten nach der Platzierung der Elektroden, besteht die Gefahr, dass die stimulierenden Elektroden verliert allmählich die Einhaltung des Teilnehmers Kopfhaut, wenn Pastenauftrag nicht optimal ist und die Elektroden sind nicht fest genug gehalten. Wenn die Impedanz mehr als 20 kOhm erreicht, wird die Stimulation nicht möglich ist und der Teilnehmer benötigt, um von dem Scanner entfernt, um das Problem zu lösen. Seit the beschriebene Verfahren beinhaltet mehrere Scan des gleichen Gebiets vor und nach tDCS, das Entfernen der Teilnehmer aus dem Scanner können wichtige Verschiebung der Voxel von Interesse erstellen. Es ist daher sehr wichtig, um zu testen, Impedanz unmittelbar vor dem Scannen und bei Installation der Elektroden sehr vorsichtig sein.

    Theoretisch könnte der Stromfluß der tDCS Artefakte im MR-Signal zu erzeugen. Antal und Mitarbeiter 80 untersuchten dieses spezielle Anliegen durch die Messung der Auswirkungen der verschiedenen tDCS Bedingungen (mit und ohne Elektroden, mit und ohne Stimulation, etc.) auf die Qualität der funktionellen Magnetresonanzbilder. Jedoch nach unserer Kenntnis die Anwesenheit von Artefakten in der Spektroskopie Signals aufgrund der Gegenwart der tDCS Vorrichtung im Scanner noch bewertet werden.

    Schließlich sollte darauf Bezug zu den Widerständen in den Elektrodenleitungen getroffen werden. Das MR-Feld kann Widerstände beschädigen, damit preventing Stimulation. Als Vorsichtsmaßnahme sollte Widerstand außerhalb des Scanners Umwelt vor jedem MRS Sitzung geprüft werden. Darüber hinaus kann eine Impedanz von mehr als 20 k & OHgr Hautreaktionen und hoher Impedanz führen kann eine beginnende oder tatsächliche Problem mit dem Stimulator zu reflektieren. Daher sollte der Stimulator sorgfältig durch, bevor alle Teilnehmer und Impedanzwerte außerhalb des Scanners Raum überprüft vor jedem MRS-Sitzung überprüft werden.

    Kombination tDCS und 1 H-MRS ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das ein quantitatives Maß für die Wirkung von klinisch verwendeten Behandlungen auf den Gehirnstoffwechsel bietet. Da der physiologische Mechanismus der tDCS Wirkungen bleibt schlecht verstanden, gibt es einen Bedarf für multimodale Ansätze, die Licht auf diese Prozesse zu vergießen kann. Mit dem jüngsten Anstieg der Zinsen in tDCS als klinisches Werkzeug für Krankheiten wie Schlaganfall 27,30,31 und Depression 81, ist es klar, dass Kombination von tDCS mit MRS kann ein wichtiger seinWerkzeug zum besseren Verständnis der therapeutischen Wirkungen von tDCS. Darüber hinaus kann tDCS-MRS als Früh Werkzeug, um festzustellen, welche Patienten haben eine bessere Chance, um klinisch zu tDCS reagieren zu dienen. Wenn eine solche Markierung gefunden, kann tDCS-MRS als Screening-Test vor der Aufnahme von Patienten in einer tDCS Intervention eingesetzt werden.

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    Disclosures

    Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

    Acknowledgments

    Dies funktioniert wurde durch Zuschüsse aus dem kanadischen Institutes of Health Research und den Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada unterstützt. ST wurde von einem Vanier Canada Graduate Stipendium der kanadischen Institutes of Health Research. MM erkennt die Unterstützung von Biotechnology Research Center (BTRC) Zuschuss P41 RR008079 und P41 EB015894 (NIBIB) und NCC P30 NS076408.

    Wir möchten Romain Valabrègue (Centre de NeuroImagerie de Recherche - CENIR, Paris, Frankreich) anerkennen und Brice Tiret (Centre Recherche de l'Institut de Universiatire Geriatrie (CRIUGM), Montréal, Kanada; Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies Alternativen (CEA), Paris, Frankreich) für die Entwicklung von Verarbeitungswerkzeugen, und Edward J. Auerbach (Center for Magnetic Resonance Forschung und Klinik für Radiologie, Universität von Minnesota, USA). Die MEGA-PRESS und FASTESTMAP Sequenzen wurden entwickeltvon Edward J. Auerbach und Małgorzata Marjańska und wurden von der University of Minnesota unter einem C2P Vereinbarung vorgesehen.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    DC-stimulator plus NeuroConn 30DCS01E MR compatible device
    NuPrep preparation gel Weaver and Co. #10-61
    Ten20 conductive paste Weaver and Co. #10-20-4
    Electrode prepping pad Grass technologies MD0017 70% isopropyl alcohol and pumice
    Saline solution Local drugstore sample 0.9% sodium chloride
    Non permanent hydro-marker Sharpie SHPE20WH
    SYNGO MR VB17 Siemens AG MRI software
    MAGNETOM Trio A Tim System Siemens AG MRI scanner version
    Matlab 2013a (Version 8.1) MathWorks Inc processing and analysis software
    LCModel 6.3 LC MODEL inc see: s-provencher.com

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

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    Neuroscience Ausgabe 93 Protonenmagnetresonanzspektroskopie transkranielle Gleichstromstimulation primären motorischen Kortex GABA Glutamat Schlaganfall
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    Tremblay, S., Beaulé, V., Proulx, S., Lafleur, L. P., Doyon, J., Marjańska, M., Théoret, H. The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism. J. Vis. Exp. (93), e51631, doi:10.3791/51631 (2014).

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