Summary
Transcranial jævnstrøm stimulation (TDCs) er en non-invasiv brain stimulation teknik. Det har med succes været anvendt i grundforskning og kliniske miljøer til at modulere hjernens funktion hos mennesker. Denne artikel beskriver gennemførelsen af TDCs og samtidig funktionel magnetisk resonans (fMRI), at undersøge neurale grundlag af TDCs effekter.
Abstract
Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) er en non-invasiv brain stimulation teknik, der bruger svage elektriske strømme administreres til hovedbunden til at manipulere kortikale ophidselse og dermed adfærd og hjernefunktion. I det sidste årti, har talrige undersøgelser rettet kortsigtede og langsigtede virkninger af TDCs på forskellige foranstaltninger af adfærdsmæssig ydeevne under motoriske og kognitive opgaver, både hos raske personer og i en række forskellige patientpopulationer. Indtil videre er der dog lidt om de neurale fundament af TDCs handling hos mennesker med hensyn til store netværk i hjernen. Dette problem kan løses ved at kombinere TDCs med funktionelle hjernescanning teknikker som funktionel magnetisk resonans (fMRI), eller electroencefalografi (EEG).
Især fMRI er den mest udbredte brain imaging teknik til at undersøge de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner. Applicatipå af TDCs løbet fMRI muliggør analyse af de neurale mekanismer bag adfærdsmæssige TDCs effekter med høj rumlig opløsning på tværs af hele hjernen. Nylige undersøgelser ved hjælp af denne teknik identificerede stimulation inducerede ændringer i opgave-relaterede funktionelle hjernens aktivitet ved stimulering stedet og også i mere fjerntliggende områder af hjernen, der var forbundet med adfærdsmæssige forbedring. Desuden TDCs administreret under hvile-state fMRI tilladt identifikation af omfattende ændringer i hele hjernen funktionelle tilslutningsmuligheder.
Fremtidige undersøgelser ved hjælp af denne kombinerede protokol bør give ny indsigt i mekanismerne i TDCs indsats på sundhed og sygdom og nye muligheder for en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske omgivelser. Den nuværende manuskript beskriver denne ny teknik i en trin-for-trin måde, med fokus på de tekniske aspekter af TDCs administreret i løbet af fMRI.
Introduction
Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) er en ikke-invasiv metode til hjernestimulation, hvor kortikale funktion moduleres ved hjælp af en svag elektrisk strøm (typisk 1-2 mA) forventes mellem to hovedbund fæstnet elektroder. Fysiologisk TDCs inducerer en polaritet-afhængig skift i neuronal potentiale hvilende membran (RMP) inden for målrettede kortikale region gennem manipulation af natrium og kalcium-kanaler, og dermed fremme ændringer i kortikal ophidselse 1. Specifikt er anodisk stimulering (atDCS) vist sig at øge cortical aktivitet via depolarisering neuronal RMP samtidig katodisk stimulering (ctDCS) reducerer kortikal ophidselse 2. Sammenlignet med andre former for brain stimulation (f.eks transcranial magnetisk stimulation) sikkerheden er blevet godt etableret og hidtil er blevet rapporteret nogen alvorlige bivirkninger selv i udsatte befolkningsgrupper 3, 4. Også, i det mindste lower stimulation intensiteter (op til 1 mA), en effektiv placebo ("fingeret") stimulation tilstand eksisterer 5, hvilket giver en effektiv blinding af deltagere og efterforskere til stimulation betingelser, rendering TDCs et attraktivt redskab i eksperimentelle og kliniske forskningsmiljøer.
Talrige undersøgelser har hidtil vist, at disse ændringer i kortikal ophidselse kan resultere i adfærdsmæssige modulationer. I det motoriske system, har konsistente polaritet afhængige virkninger blevet rapporteret 1, 6 for både atDCS og ctDCS. I kognitive undersøgelser, at størstedelen af undersøgelser, der er ansat atDCS at forbedre kognitive funktioner rapporteret gavnlige virkninger på præstation 7, mens ctDCS ofte ikke føre til svækket kognitiv behandling. Sidstnævnte kan forklares ved den større redundans af neurale behandlingsressourcer underliggende kognition 6. Størstedelen af TDCs studier har beskæftiget cross-over design til at studerede umiddelbare virkninger af den stimulation, der Outlast ophør af den nuværende kun i korte perioder 1. Imidlertid er det blevet foreslået, at gentagen stimulation virkninger på proteinsyntese, dvs neurale mekanisme underliggende erhvervelse dygtighed 8. Faktisk kan motor eller kognitiv træning succes forstærkes, når det kombineres med gentagne TDCs sessioner og langsigtet stabilitet af disse forbedringer er blevet rapporteret at vare op til flere måneder i raske voksne 8-10. Sådanne fund har også udløst en interesse i brugen af TDCs i kliniske sammenhænge og foreløbig data tyder på, at det også kan være nyttig som en primær eller supplerende behandling tilgang i forskellige kliniske populationer 3. Men mens et relativt stort antal undersøgelser rettet neurofysiologiske effekter af TDCs i det motoriske system, lidt er kendt om de underliggende neurale mekanismer TDCs effekter på kognitive hjernefunktioner i sundhed og sygdom.En bedre forståelse af virkningsmekanismen af TDCs er en nødvendig forudsætning for en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske indstillinger.
Dette problem kan løses ved at kombinere TDCs med funktionelle hjernescanning teknikker som electroencefalografi (EEG) eller funktionel magnetisk resonans (fMRI). Hovedparten af studier, der undersøger de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner har valgt at ansætte fMRI 11. Især fMRI er den mest udbredte brain imaging teknik til at undersøge de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner 11.. Desuden, når kombineret med samtidig anvendelse af TDCs, fMRI tillader undersøgelse af de neurale mekanismer bag adfærdsmæssige TDCs effekter med højere rumlig opløsning over hele hjernen i forhold til EEG (for nyere beskrivelser kombineret TDCs-EEG se Schestatsky et al. 12). Den foreliggende manuskript beskriver the kombineret brug af TDCs under samtidig fMRI. Denne roman teknik har med succes været brugt til at studere de neurale mekanismer, der ligger TDCs-inducerede modulationer motoriske og kognitive funktioner 13-19. I fremtiden vil denne kombinerede protokol give ny indsigt i mekanismerne i TDCs indsats på sundhed og sygdom. Forstå konsekvenserne af TDCs på store neurale netværk som vurderet med denne teknik kan lægge grunden til en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske omgivelser.
Manuskriptet vil fokusere på forskelle mellem adfærdsmæssige TDCs eksperimenter og kombineret anvendelse af TDCs under samtidig fMRI, med særlig vægt på krav til hardware, implementering af teknikken, og sikkerhedsmæssige overvejelser. Som et eksempel, en enkelt session af TDCs administreret til venstre ringere frontal gyrus (IFG) under opgave-fraværende hvile-state (RS) fMRI og under et sprog opgave 14, 15 wsyg beskrives, selvom mange andre applikationer er mulige 16, 19. Nærmere oplysninger om forsøgets udformning og deltager egenskaber og fMRI dataanalyse procedurer er blevet beskrevet i detaljer i de oprindelige publikationer 14,15 og er uden for rammerne af det nuværende manuskript. Desuden er i disse undersøgelser, en ekstra fMRI scanning, der er involveret humbug TDCs blev erhvervet og sammenlignet med resultaterne af atDCS session (se "Repræsentative resultater" for detaljer). Denne session var identisk med den, der er beskrevet i den foreliggende manuskript, bortset fra at stimulering blev afbrudt før begyndelsen af skanning (se figur 1 for detaljer). Den nuværende procedure er blevet gennemført med succes på en 3-Tesla Siemens Trio MR scanner på Berlin Center for Avanceret billedbehandling (Charité University Medicine, Berlin, Tyskland), og i princippet bør være gældende for andre scannere samt 13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kontraindikationer og Særlige overvejelser
- Screene grundigt deltagerne til MRI kontraindikationer (f.eks pacemakere, klaustrofobi osv.) og udelukke evt. Anskaf standard spørgeskemaer ved kliniske eller forskningsinstitutioner, der opererer MRI-scannere. Adlyde Altid standard sikkerhedsprocedurer, når ind i scanneren værelse.
- Screene grundigt deltagerne til kontraindikationer for TDCs. Disse kan overlappe med kontraindikationer for MR-scanning. Se Villamar et al. 20 for et eksempel.
- Rådfør dig med operativsystemet facilitet vedrørende lokal sikkerhed og etiske regler og opnå de nødvendige tilladelser. Test for potentielle billeddannelse artefakter induceret af stimulation nuværende eller TDCs udstyr før påbegyndelsen af den faktiske eksperiment (fx ved at analysere virkningen af TDCs om signal-til-støj-forhold 17, 18).
2. FMRI Opsætning, Experimental Design, og Materialer
Bemærk: Brugen af TDCs inde i en MR scanner kræver specialudstyr. Især specifikke MRI-kompatible kabler, filter kasser, elektroder og stropper til fastgørelse elektroder til forsøgspersonernes hoved er påkrævet. Figur 2 illustrerer (A) standard TDCs udstyr og (B) komponenter til brug med MRI. De sidstnævnte komponenter er nødvendige for at forhindre muligheden for opvarmning under elektroderne pga. radiofrekvens pulser der udsendes under MRI. Desuden kan højfrekvente billeddannelse artefakter induceres ved TDCs enheden. Begge kan forhindres ved hjælp af filter bokse placeret uden for og inde i scanneren rum, kabler udstyret med modstande og dedikerede MR-kompatible ledende gummi elektroder.
- Udfør generelle eksperimentelle opsætning og sekvenser for fMRI eksperiment. Begge afhænger af formålet med undersøgelsen. Bemærk: protokollen nedenfor er specific til dette eksperiment, men kan revideres for at henvende sig til en række forskellige eksperimentelle situationer.
- Brug en stationær computer med stimulus præsentation software installeret til et sprog, opgave, der involverer visuel præsentation af semantiske kategorier inde i scanneren. Præsenter disse stimuli på en skærm inde i scanneren via en projektor tilsluttet computeren og et system af spejle.
- Brug en MRI-kompatibel mikrofon til transmission af åbenlyse verbale reaktioner. Anskaf to funktionelle sekvenser under TDCs: en fem-minutters opgave-fraværende RS-sekvens og en åbenlys semantisk ord generation opgave. Bemærk: yderligere detaljer om den eksperimentelle set-up, har fMRI sekvenser og stimuli tidligere blevet beskrevet i detaljer 14, 15 og Figur 1 illustrerer eksperimentet.
- Sådan opsættes TDCs enhed skal enheden programmeres til at levere en konstant jævnstrøm på 1 mA i 20 minutter for at dække hele varigheden af de to funktionelle scannings, herunder korte pauser og tid til instruktionerne i mellem scanninger 14, 15. Sørg for sikker på, at stimulatoren er tilstrækkeligt opladet; ellers kan det lukke ned under eksperimentet.
- Sørg for, at alle nødvendige materialer er til rådighed (Figur 2).
3.. TDCs Setup ydersiden og indersiden af scanneren (Se Figur 3 for en skematisk oversigt)
- Anbring det udvendige filter boksen tæt radiofrekvens-filter (RF) rør (dvs. gennemtrængningspunkt i radiofrekvens skjold MRI scanner, der kan bruges til at indsætte kablerne fra ydersiden af scanneren). Slut stimulator med den ydre kasse hjælp stimulator kabel. Indre og ydre filter kasse må ikke blandes op. Bemærk: Figur 4A illustrerer TDCs oprettede uden for scanneren. Den ydre kasse er tydeligt markeret i figur 4B.
- Mål kabellængde kræves for at forbinde krois med ydre kasse hjælp kasse kabel (se næste punkt vedrørende placering af kabel i scanner rum). Sæt kasse kablet i RF rør fra ydersiden af scanneren og forbinde med ydre filter (Figur 4A).
- Placer indvendige filter kasse inde i bagenden af scanneren boring (figur 5); bruge tape for at holde det på plads. Slut kasse kabel med indvendig filter kasse og undgå sløjfer i eventuelle kabler, da disse kan fremkalde RF opvarmning. Bemærk: Kablet bør afstemmes med væggene i scanneren rum og fastgøres med tape (Figur 3).
4.. Deltager Forberedelse og positionering af Deltager i Scanner
- Som med konventionelle TDCs set-ups, inspicere huden af deltageren for eventuelle allerede eksisterende læsioner, flytte hår væk, ren hud med alkohol for at fjerne hårspray, body lotion osv. at forbedre hudens ledningsevne under elektroderne 12, <sup> 21..
- Soak svamp lommer med saltvandsopløsning og indsætte MR-kompatible elektroder i lommer (se DaSilva 21 for generelle betragtninger af deltagerens forberedelse og elektrode positionering).
- Mark elektrode positioner på forsøgspersonernes hoveder ved hjælp af en pen, der efterlader ingen ferromagnetiske spor (f.eks ikke bruger eyeliner). Bestem målposition for anode hjælp 10-20 EEG-systemet (her: venstre IFG, 5 x 7 cm 2) 14, 15. For at gøre dette, skal du finde (a) i skæringspunktet mellem T3-F3 og F7-C3 og (b) midtpunktet mellem F7-F3. Målpositionen er i centrum af en linie, der forbinder punkter (a) og (b). Sted katode (10 x 10 cm 2) over højre supraorbital position (for detaljer vedrørende elektrodeplacering se Meinzer et al. 14, 15). Vedhæft elektroder til hovedet ved hjælp af elastik.
- Guide deltageren bag scanneren og forbinde elektrodekablet med den indre filtis kassen. Tænd stimulator og test impedans ved at trykke på øverste højre og nederste venstre knap af stimulatoren samtidigt. Hvis impedansen grænser er nået, så stimulatoren vil stoppe automatisk. Hvis dette sker, skal du kontrollere, om elektroderne har kontakt med hovedbunden, ren hud igen eller anvende mere saltvandsopløsning hvis svampe er blevet for tør, og derefter kontrollere, om nogen kabel er brudt. Bemærk: Impedans er typisk højere i forhold til konventionelle opsætninger på grund af ekstra kabler og filter bokse mellem stimulator og elektroder.
- Guide deltager i scanneren rum (efter en endelig sikkerheds check). Placer deltageren på scanneren gantry og sørg for, at elektroderne er stadig i den korrekte position. Luk hoved spole. Elektrodekablet bør fodres gennem den nederste venstre del af hovedet spolen (se figur 6), eller i henhold til fabrikantens anvisninger.
- Flyt deltager i scanneren boring. Sørg for, at kablet gøres ikke fange på gantry og bryde (se figur 6 for en eventuel sikker position af kablet i løbet af denne fase). Når deltageren har nået den endelige stilling inde i scanneren, nå til elektrodekablet fra bagenden af scanneren, og tilslut det til den indre filter kassen. Skal overgives nødknap til deltager og lade scanneren værelse.
5.. Start Stimulation
- Brug scanner intercom at informere deltageren om starten på scanning session. Start strukturelle localizer scanning (for at bestemme hovedets position af deltager i scanneren og give mulighed for planlægning af efterfølgende funktionelle og strukturelle scanninger) ved hjælp af scanning konsol. Efterse localizer scanning for højfrekvente artefakter: Dobbeltklik på localizer scanning efter udløbet af den periode, erhvervelse og justere kontrast (til Siemens Trio ved at holde højre museknap og flytte musen til venstre og højre, for eksempler se figur 7Aog 7B).
- Brug scanner intercom til at kommunikere til emnet, at stimulation påbegyndes, og at han / hun måske føler en prikkende fornemmelse på hovedbunden for en kort tid. Gentag instruktionerne for første funktionelle scanning. I dette eksempel instruere deltageren til at holde øjnene lukkede for varigheden af scanningen (5 min), bevæger sig så lidt som muligt og tænke på ingenting i særdeleshed. Sørg for, at projektoren er slukket (skærm inde i scanneren boring er sort) for at undgå visuel stimulation under RS-scanning.
- Start stimulering manuelt omkring 1-2 minutter før starten af den første funktionelle scanning (RS-scanning). Brug scanner for at indlæse RS-sekvens. Dobbeltklik på RS-sekvens at åbne field-of-view (FOV), juster stand til at dække hele hjernen og tilpasse omtrent med anterior-posterior commissure. Start den første scanning (ved hjælp af knappen START scanning).
- Overvåg impedans hele eksperimentet. Bemærk: Hvis experiment udføres i en dobbelt-blind mode (deltager og forsker er blændet til stimulation) kan en anden forsker være nødvendigt at overvåge impedans.
- Mens RS-sekvens kører, indlæse anden funktionel billeddannelse sekvens (efterfølgende sprog opgave) og juster FOV, ved hjælp af scanner-konsol som ovenfor, at reducere den tid, der kræves i mellem scanninger. Efter afslutningen af RS-sekvens, tænde projektoren for at muliggøre visuel visning af eksperimentelle stimuli under sprog opgave. Dobbeltklik på præsentation software ikon og belastning sprog paradigme. Brug scanner intercom til at gentage instruktioner til opgave-relaterede fMRI paradigme og begynde med opgave 14, 15.
- Efter afslutningen af den stimulation / fMRI eksperiment, fortsætte med planlagte strukturelle scanninger. Afbryd ikke elektrodekablerne indtil slutningen af scanningen session.
- Ved afslutningen af forsøget, afbryde elektrodekablet fra indre filter kasse, før du flytter deltager udscanner boring. Fjern deltager fra scanneren, afmontere hovedet spole og bede deltageren til at sidde op og fjerne elektroderne forsigtigt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Funktionel MRI er den mest udbredte funktionel billeddannelse teknik til at løse de underliggende neurale mekanismer motoriske og kognitive funktioner. For nylig er fMRI også blevet anvendt til at evaluere TDCs virkninger på kortikale aktivitet og tilslutningsmuligheder. Men de fleste af disse undersøgelser administreres TDCs uden for scanneren og evalueres offline virkninger af stimulering (dvs. administreret TDCs før scanning 22, 23). Kun få undersøgelser hidtil har administreret TDCs under samtidig fMRI med forskelligt blodets iltning niveau afhængig kontrast (BOLD) 14-17, 24 eller perfusion imaging sekvenser 13, 19. Disse undersøgelser, der anvendes inden for emner designs at sammenligne funktionelle hjernens aktivitet eller perfusioner ændringer i løbet af atDCS vs fingeret TDCs at kaste lys over de neurale mekanismer, der ligger umiddelbare adfærdsmæssige effekter af TDCs i sundhed og sygdom 1, 3.
For eksempel i to nylige undersøgelser, Meinzer og kolleger vurderede neurale fundament for atDCS-inducerede performance forbedringer i løbet af semantisk ord generation hos raske yngre 15 og ældre voksne 14. I begge studier præstation var overlegne i løbet af atDCS administreret til venstre IFG sammenlignet med sham stimulation, angivet med et væsentligt reduceret antal fejl i løbet af opgaven. Mest bemærkelsesværdigt var udførelsen af ældre voksne i løbet af semantisk ord-generation, en opgave, der er kendt for at være negativt påvirket af fremskreden alder 25-28, forbedret op til niveauet for en matchet gruppe af yngre voksne 14.
Task-relaterede fMRI viste, at en forbedret ydeevne under atDCS sammenlignet med sham var forbundet med meget lokal opgave-relateret aktivitet reduktion i den ventrale del af IFG i begge undersøgelser (figur 8). Bemærk venligst, at aktiviteten i den venstre dorsale IFG (en eren i nærheden af stimulation stedet) blev ikke påvirket af stimulering. I overensstemmelse med en tidligere undersøgelse hos raske ældre voksne, der er ansat en anden type word-hentning opgave (billede navngivning 17), kan disse reduktioner aktivitet være relateret til mere effektive neurale forarbejdning i task-relevant hjernen regioner 14, 15. Endvidere i den ældre gruppe, atDCS reduceret aldersrelateret styrkelse af højre hjernehalvdel aktivitet og en reduceret aktivitet blev korreleret med adfærdsmæssige forbedring 14. Disse resultater illustrerer potentialet i denne ny teknik til at identificere neurale fundament af TDCs-handling på stimulation stedet og også i fjerntliggende områder af hjernen.
Desuden blev store netværk effekter af atDCS bekræftet i begge undersøgelser ved hjælp af RS-fMRI. En graf-baserede funktionelle konnektivitet tilgang afsløret: (1) tilslutningsmuligheder (dvs. forbedret kommunikation) mellem større knudepunkter af sproget systamceller hos yngre voksne under atDCS sammenlignet med sham (for eksempel se figur 9, tilpasset fra Meinzer et al. 15). I ældre voksne, atDCS medførte delvis tilbageførsel af ændret netstruktur i forhold til yngre voksne 14. Disse resultater viser, at store netværk virkninger af stimulation kan identificeres ved hjælp af denne teknik.
Figur 1.. Oversigt over kombineret TDCs-fMRI eksperiment. To funktionelle fMRI scanninger blev erhvervet (hvile-state-scanning efterfulgt af en semantisk ord generation opgave). Stimulation (fingeret eller atDCS) startede omkring 1-2 minutter før den hvilende-state-scanning og indledte indtil udgangen af sproget opgave (atDCS), eller var rampet ned forud for starten af den hvilende-state-scanning (sham; ikke er beskrevet her; for detaljer se Meinzer et al. 14,15). Yderligere strukturelle scanninger blev erhvervet efter afslutningen af stimulation. Stimulation placering (IFG, rød prik i skematisk) blev bestemt ved hjælp af EEG 10-20 systemet (gul). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. TDCs udstyr. (A) viser standardudstyr til TDCs undersøgelse. Dette omfatter (1) stimulator, (2) to standard elektrodekabler, og (3) gummi elektroder og svamp lommer til elektroder. (B) viser yderligere komponenter, der kræves for intrascanner TDCs: (4) stimulator kabel (5) elektrodekabletudstyret med modstande, (6) ydre og (7) indvendige filter kasser, (8) box-kabel til at forbinde de to filter kasser, og (9) MR-kompatible gummi elektroder. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3.. Skematisk oversigt over TDCs set-up uden for og inde i scanneren. Jævnstrøm stimulator (1) er forbundet med det ydre filter box hjælp stimulator kabel (2). Box-kabel ind i scanner rummet gennem radiofrekvens filter rør (3). Box-kablet skal være på linje med væggen i MR-scanning værelse (4) og er forbundet til den indre filter boks, der er placeret inde i MR-scanneren (5). Elektroder er fastgjort til hovedet af emnet og elektrode kablet føres gennem den nederste venstre del af hovedet spole og forbundet med det indvendige filter kasse (6). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4.. Nærmere oplysninger om opsætning inde i scanneren. (A) viser placering af ydre filter boks i nærheden af radio-frekvens filter rør og kasse-kabel, der er indsat i den venstre filter rør. (B) Close-up af ydre kasse, der ikke er MR-kompatible. Klik her for at se en større version af dette tal.
Fig. 5. Placering af indvendige filter kassen. Denne figur viser positionen af indvendige filter kasse inde i scanneren (bagende). Filter boks er placeret under en skærm, hvor eksperimentelle stimuli præsenteres ved hjælp af en projektor. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Placering af elektrodekabel. Denne figur viser den lukkede hoved spole af scanneren. (A) Emnet hoved er placeret i hovedet spole med elektroder fastgjorti hovedet med gummi elektroder. Elektrodekabel udgange hovedet spole i nederste venstre side. (B) elektrode er placeret på toppen af hovedet spole, når du flytter emnet i scanneren boring. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7.. Illustrerer højfrekvente artefakter induceret af et kabelbrud. (A) Artifact ikke er synlig på aksial skive af localizer scanning ved hjælp af standard kontrast i MRIcron (www.mrico.com). (B) Artifact bliver synlig efter justere indstillingerne kontrast (hvide pile, kontrast 0-20). Tilsvarende højfrekvente artefakt er ikke synligi funktionel billeddannelse sekvens ved hjælp af standard-kontrast (C), men bliver synlig efter justering kontrast (D). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8.. Virkningerne af atDCS på opgave-relateret funktionel aktivitet. Illustrerer markante reduktioner af opgave-relaterede aktiviteter i løbet af semantiske ord generation opgave i den ventrale del af den ringere frontal gyrus (vIFG) hos yngre og ældre voksne (atDCS <humbug, begge p <0,05). Der blev ikke fundet signifikante forskelle i den venstre dorsale IFG (dIFG) i begge grupper. Please klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Virkningerne af atDCS på hvile-state funktionelle tilslutningsmuligheder. Illustrerer regioner, der viste forøget (rød) eller reduceres (blå) tilslutning i løbet af atDCS sammenlignet med sham stimulation under hvile-state-scanning (sagittale skiver x = -52 / 52, coronal skive z = 5). L = venstre hjernehalvdel, R = højre hjernehalvdel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10.;. Verifikation af mål position (A) Den venstre side af figuren viser placeringen af elektroden på hovedbunden (overfladegengivelse baseret på T1-vægtet billede ved hjælp MRIcron). (B) Den højre side af billedet viser projektionen af elektroden centrum ind i hjernen på det samme emne. Orientering af billedet er identisk i begge billeder. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den kombinerede anvendelse af TDCs med samtidig fMRI har vist potentiale til at belyse de neurale fundament for de umiddelbare virkninger af den stimulation over hele hjernen med høj rumlig opløsning 13-19. I fremtiden kan sådanne undersøgelser blive suppleret med kombinerede EEG-TDCs undersøgelser, at udnytte den overlegne tidsmæssige opløsning af sidstnævnte teknik. Desuden intrascanner stimulation muliggør kontrol af korrekt placering af elektroder på hovedbunden (fx anvendelse T-vægtede billeder, se figur 10). Dette kan bidrage til at reducere uønsket varians i eksperimentelle undersøgelser på grund af forkert placering af elektroderne.
Sikkerhed for intrascanner stimulation er blevet etableret, og med passende opsætning, ingen varme induceret under elektroderne (f.eks Holland et al. 17, se supplerende materiale af denne undersøgelse). Stimulering kun minimalt påvirker billedetkvalitet. For eksempel kan TDCs inducere lidt reduceret signal-støjforhold og modtagelighed artefakter eller B0 felt forvridninger nedenunder elektroderne 17, 18, hvor sidstnævnte begrænset til hovedbunden (for en gennemgang se Saiote et al. 23). Men såvel som hovedbund artefakter, en post mortem-undersøgelse af Antal et al. 29 syntes TDCs-inducerede artefakter med sammenlignelig størrelsesorden fysiologiske BOLD virkninger under en finger trykke opgave i hjertekamrene. Derfor er forskerne rådes til at afholde passende billede kvalitetssikringsprocedurer 23. Desuden kan fejl i udstyret (f.eks afbrudt forbindelse eller elektrodekablerne) fremkalde højfrekvente artefakter i BOLD sekvenser (se figur 7C og 7D). Derfor bør der udvises særlig omhu ved håndtering af udstyr og forscanning kvalitetssikringsprocedurer. Udskiftning af ødelagte kabler kan forhindre en sådan artifacts.
I den nuværende protokol blev den kombinerede brug af TDCs med to fMRI sekvenser beskrevet. For at undgå eventuelle interaktioner mellem task-relaterede fMRI virkninger på de efterfølgende fMRI sekvenser og især RS-fMRI 30, RS-fMRI blev erhvervet før den semantiske ord generation opgave. Desuden blev yderligere strukturelle sekvenser (f.eks T1, T2, og diffusions vægtet scanning) erhvervet efter de funktionelle sekvenser, fordi saltvand gennemblødt svamp elektroder kan tørre ud over tid og stimulering kan blive forringet, hvis intrascanner TDCs administreres i slutningen af en længere scanning session.
Bortset fra anvendelse i forsøgsopstillingen i raske deltagere, fremtidige anvendelser af denne nye teknik er tænkelige i patientpopulationer. For eksempel er kombinationen af TDCs med sprog behandling indgives over flere på hinanden følgende dage vist sig at forbedre resultatet af behandlingen i post-slagtilfælde language lidelser (afasi) 31, 32. Men mens stimulering var betydelige tværs af grupper af patienter, op til 30% af de enkelte patienter ikke drage fordel af den stimulation 32.. Den kombinerede brug af TDCs med fMRI i fremtiden kan tillade identifikation af patienter, der reagerer positivt på en given type stimulation og hjælpe med at identificere patienter, der ikke viser disse effekter. Sådanne undersøgelser er en forudsætning for at forbedre effektiviteten af fremtidige kliniske forsøg, der kombinerer adfærdsmæssig intervention med TDCs. Andre applikationer kan omfatte vurdering af de neurale fundament for gavnlige TDCs-effekter i demens og dens forstadier eller andre neurologiske eller psykiatriske sygdomme 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af tilskud fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 og DFG-Exc-257, UL: 423/1-1), Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A og 01GY1144, AF og MM: 01EO0801), den tyske Academic Exchange Service (AF: DAAD-54.391.829), Go8 Australien - Det Fælles Forskningscenter Samarbejde Scheme Tyskland (DC: 2011001430), Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141, RL: 2011-119) og Australian Research Council (DC: ARC FT100100976, MM: ARC FT120100608). Vi takker Kate Riggall til redaktionel assistance.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DC-Stimulator Plus | NeuroConn, Illmenau, Germany | 21 | |
| Hardware extension DC-Stimulator MR (2 MRI compatible rubber electrodes, electrode and box cable and inner filter box; outer filter box and stimulator cable) | NeuroConn, Illmenau, Germany | ||
| 2 Sponge pads for rubber electrodes (7 cm x 5 cm and 10 cm x 10 cm) | NeuroConn, Illmenau, Germany | ||
| Rubber head band | |||
| NaCl solution | |||
| Measurement tape | To determine electrode position using the EEG 10-20 system | ||
| Pen | Used during electrode positioning |
References
- Stagg, C. J., Nitsche, M. A. Physiological basis of transcranial direct current stimulation. Neuroscientist. 17, 37-53 (2011).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57, 1899-1901 (2001).
- Flöel, A. tDCS-enhanced motor and cognitive function in neurological diseases. NeuroImage. 85, 934-947 (2014).
- 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).
- 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).
- Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Exp. Brain Res. 216, 1-10 (2012).
- Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clin. EEG Neurosci. 43, 192-199 (2012).
- Reis, J., et al. Noninvasive cortical stimulation enhances motor skill acquisition over multiple days through an effect on consolidation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 1590-1595 (2009).
- Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation over multiple days improves learning and maintenance of a novel vocabulary. Cortex. 50, 137-147 (2014).
- Cohen Kadosh, R., Soskic, S., Iuculano, T., Kanai, R., Walsh, V. Modulating neuronal activity produces specific and long-lasting changes in numerical competence. Curr. Biol. 20, 2016-2020 (2010).
- Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J. Rehabil. Res. Dev. 47, (2010).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (10), (2013).
- Zheng, X., Alsop, D. C., Schlaug, G. Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on human regional cerebral blood flow. NeuroImage. 58, 26-33 (2011).
- Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Flöel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J. Neurosci. 33, 12470-12478 (2013).
- Meinzer, M., et al. Electrical brain stimulation improves cognitive performance by modulating functional connectivity and task-specific activation. J. Neurosci. 32, 1859-1866 (2012).
- Lindenberg, R., Nachtigall, L., Meinzer, M., Sieg, M. M., Floel, A. Differential effects of dual and unihemispheric motor cortex stimulation in older adults. J. Neurosci. 33, 9176-9183 (2013).
- Holland, R., et al. Speech facilitation by left inferior frontal cortex stimulation. Curr. Biol. 21, 1403-1407 (2011).
- Antal, A., Polania, R., Schmidt-Samoa, C., Dechent, P., Paulus, W. Transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex during fMRI. NeuroImage. 55, 590-596 (2011).
- Stagg, C. J., et al. Widespread modulation of cerebral perfusion induced during and after transcranial direct current stimulation applied to the left dorsolateral prefrontal cortex. J. Neurosci. 33, 11425-11431 (2013).
- Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J. Vis. Exp. (77), (2013).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), (2011).
- Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Functional neuroimaging and transcranial electrical stimulation. Clin. EEG Neurosci. 43, 200-208 (2012).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front. Hum. Neurosci. 7, (2013).
- Antal, A., et al. Direct current stimulation over MT+/V5 modulates motion aftereffect in humans. Neuroreport. 15, 2491-2494 (2004).
- Meinzer, M., et al. Impact of changed positive and negative task-related brain activity on word-retrieval in aging. Neurobiol. Aging. 33, 656-669 (2012).
- Meinzer, M., et al. Neural signatures of semantic and phonemic fluency in young and old adults. J. Cogn. Neurosci. 21, 2007-2018 (2009).
- Meinzer, M., et al. Same modulation but different starting points: performance modulates age differences in inferior frontal cortex activity during word-retrieval. PloS One. 7, (2012).
- Crosson, B., Garcia, A., McGregor, K., Wierenga, C. E., Meinzer, M. Neuropsychology Science and Practice. Koffler, S., Morgan, J., Baron, I. S., Greiffenstein, M. F. , Oxford University Press. 149-188 (2013).
- Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. NeuroImage. , (2012).
- Antal, A., Terney, 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).
- Floel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42, 2065-2067 (2011).
- Baker, J. M., Rorden, C., Fridriksson, J. Using transcranial direct-current stimulation to treat stroke patients with aphasia. Stroke. 41, 1229-1236 (2010).
