Summary
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatie techniek. Het is met succes gebruikt in fundamenteel onderzoek en klinische instellingen hersenfunctie bij mensen moduleren. Dit artikel beschrijft de uitvoering van tDCS en gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), om de neurale basis van tDCS effecten te onderzoeken.
Abstract
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatie techniek zijn zwakke elektrische stroom toegediend aan de hoofdhuid corticale prikkelbaarheid manipuleren en bijgevolg gedrag en hersenfunctie gebruikt. In de afgelopen tien jaar hebben tal van studies op korte termijn en lange termijn effecten van tDCS op verschillende maatregelen van gedrags-prestaties tijdens motorische en cognitieve taken aan bod, zowel in gezonde individuen en in een aantal verschillende patiëntenpopulaties. Tot nu toe echter weinig bekend over de neurale onderbouwing van tDCS-actie bij de mens met betrekking tot grootschalige hersenen netwerken. Dit probleem kan worden aangepakt door een combinatie van tDCS met functionele brain imaging technieken, zoals functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) of elektro-encefalogram (EEG).
Vooral fMRI is de meest gebruikte brain imaging techniek om de neurale mechanismen cognitie en motoriek onderzoeken. Applicatiop van tDCS tijdens fMRI maakt analyse van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan gedrag tDCS effecten met een hoge ruimtelijke resolutie over het hele brein. Recente studies met behulp van deze techniek worden aangewezen stimulatie geïnduceerde veranderingen in taak-gerelateerde functionele hersenactiviteit op het stimuleren site en ook in de meer afgelegen gebieden van de hersenen, die werden geassocieerd met gedrags-verbetering. Daarnaast tDCS toegediend tijdens rust-state fMRI toegestaan identificatie van grootschalige veranderingen in de hele hersenen functionele connectiviteit.
Toekomstige studies met behulp van deze gecombineerde protocol moet nieuwe inzichten in de mechanismen van tDCS actie bij gezondheid en ziekte en nieuwe opties voor meer gerichte toepassing van tDCS in onderzoek en klinische settings opleveren. De huidige manuscript beschrijft deze nieuwe techniek in een stap-voor-stap-mode, met een focus op technische aspecten van tDCS toegediend tijdens fMRI.
Introduction
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve methode hersenstimulatie waarin corticale werking wordt gemoduleerd door middel van een zwakke elektrische stroom (gewoonlijk 1-2 mA) geprojecteerd tussen twee scalp elektroden aangebracht. Fysiologisch tDCS induceert een polariteit afhankelijke verandering in neuronale rust membraanpotentiaal (RMP) binnen de beoogde corticale gebied door de manipulatie van natrium-en calciumkanalen, waardoor veranderingen in corticale prikkelbaarheid 1 bevorderen. Concreet heeft anodische stimulering (atDCS) is aangetoond dat corticale activiteit te verhogen via depolarisatie van neuronale RMP terwijl kathodische stimulatie (ctDCS) vermindert corticale prikkelbaarheid 2. Vergeleken met andere vormen van hersenstimulatie (bijv. transcraniële magnetische stimulatie) veiligheid is goed ingeburgerd en tot nu toe geen ernstige bijwerkingen zijn gemeld, ook in kwetsbare bevolkingsgroepen 3, 4. Ook, althans voor Lower stimulatie intensiteiten (tot 1 mA), een effectieve placebo ("schijnvertoning") stimulatie voorwaarde bestaat 5, waardoor effectieve blindering van deelnemers en onderzoekers om de stimulatie voorwaarden, waardoor tDCS een aantrekkelijk instrument in experimenteel en klinisch onderzoek instellingen.
Talrijke studies tot nu toe is gebleken dat deze veranderingen in corticale prikkelbaarheid kan tot gedragsmodulaties. In het motorische systeem, hebben consequent polariteit afhankelijke effecten gemeld 1, 6 voor zowel atDCS en ctDCS. Cognitieve studies, de meeste studies die atDCS gebruikt om cognitieve functies te verbeteren gerapporteerd gunstige effecten op de prestaties 7, terwijl ctDCS vaak niet leiden tot verminderde cognitieve verwerking. Dit laatste kan worden verklaard door de grotere redundantie van neurale verwerking middelen onderliggende cognitie 6. De meerderheid van tDCS studies cross-over designs gebruikt om te studerende directe effecten van de stimulatie, die de beëindiging van de huidige slechts gedurende korte perioden 1 overleven. Echter, is gesuggereerd dat de stimulatie effecten op de eiwitsynthese, dwz het neurale mechanisme dat ten grondslag vaardigheidsaanwinst 8 herhaald. Inderdaad, kan motorische of cognitieve training succes worden versterkt wanneer het wordt gecombineerd met herhaalde tDCS sessies en stabiliteit op lange termijn van deze verbeteringen zijn gemeld duren tot enkele maanden bij gezonde volwassenen 8-10. Dergelijke bevindingen zijn ook leidde tot belangstelling voor het gebruik van tDCS in klinische vraagstellingen en voorlopige gegevens suggereren dat het ook nuttig als een primaire of aanvulling behandelingsbenadering in verschillende klinische populaties 3 kan zijn. Echter, terwijl een relatief groot aantal studies gericht neurofysiologische effecten van tDCS in het motorische systeem, is weinig bekend over de onderliggende neurale mechanismen van tDCS effecten op de cognitieve hersenfuncties bij gezondheid en ziekte.Een beter begrip van het werkingsmechanisme van tDCS is een noodzakelijke voorwaarde voor meer gerichte toepassingen van tDCS in onderzoek en klinische settings.
Dit probleem kan worden aangepakt door een combinatie van tDCS met functionele brain imaging technieken zoals elektro-encefalogram (EEG) of functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). De meerderheid van de onderzoeken naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen cognitie en motorische functies hebben ervoor gekozen om in dienst fMRI 11. In het bijzonder, fMRI is de meest gebruikte brain imaging techniek om de neurale mechanismen die ten grondslag liggen cognitie en motorische functies 11 onderzoeken. Bovendien, in combinatie met gelijktijdige toepassing van tDCS, fMRI maakt het bestuderen van de neurale mechanismen gedrag tDCS effecten met een hogere ruimtelijke resolutie over de gehele hersenen vergeleken EEG (voor recente beschrijvingen Gecombineerd tDCS-EEG bekijken Schestatsky et al.. 12). De huidige manuscript beschrijft the gecombineerde gebruik van tDCS tijdens gelijktijdige fMRI. Deze nieuwe techniek is met succes gebruikt om de neurale mechanismen tDCS veroorzaakte modulaties van motorische en cognitieve functies 13-19 bestuderen. In de toekomst zal deze gecombineerde protocol nieuwe inzichten in de mechanismen van tDCS actie in gezondheid en ziekte opleveren. Inzicht in de impact van tDCS grootschalige neurale netwerken zoals gemeten met deze techniek kan de basis voor meer gerichte toepassing van tDCS in onderzoek en klinische settings te leggen.
Het manuscript zal zich richten op de verschillen tussen gedrags tDCS experimenten en het gecombineerde gebruik van tDCS tijdens gelijktijdige fMRI, met een specifieke nadruk op de hardware-eisen, de uitvoering van de techniek, en veiligheidsoverwegingen. Als voorbeeld, een enkele sessie van tDCS tijdens task afwezig rusttoestand (RS) fMRI en tijdens een taaltaak 14, 15 w toegediend aan de linker inferieure frontale gyrus (IFG)ziek worden beschreven, hoewel vele andere toepassingen mogelijk zijn 16, 19. Details van het experimenteel ontwerp, kenmerken van de deelnemer en fMRI data-analyse procedures zijn in detail beschreven in de oorspronkelijke publicaties 14,15 en vallen buiten het bestek van dit manuscript. Voorts is in deze studies, een extra fMRI scan die betrokken schijnvertoning tDCS werd verworven en vergeleken met de resultaten van de atDCS sessie (zie "Representatieve resultaten" voor details). Deze sessie was identiek aan die in de onderhavige manuscript beschreven, behalve dat de stimulatie werd beëindigd voor de start van de sessie scannen (zie Figuur 1 voor details). De huidige procedure is met succes in een 3-Tesla Siemens Trio MRI-scanner op het Berlijnse Centrum voor Advanced Imaging (Charite University Medicine, Berlijn, Duitsland) uitgevoerd, en moeten in beginsel van toepassing zijn op andere scanners ook 13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Contra-indicaties en bijzondere overwegingen
- Grondig screenen deelnemers voor MRI contra-indicaties (bijvoorbeeld pacemakers, claustrofobie, etc.) en exclusief indien nodig. Acquire standaard vragenlijsten op klinische of onderzoeksinstellingen die MRI-scanners te bedienen. Gehoorzamen altijd standaard veiligheidsprocedures bij het betreden van de scanner kamer.
- Grondig screenen deelnemers voor contra-indicaties voor tDCS. Deze kunnen overlappen met contra-indicaties voor MRI. Zie Villamar et al.. 20 voor een voorbeeld.
- Neem contact op met de operationele faciliteit over de lokale veiligheid en ethiek regelgeving en het verkrijgen van benodigde machtigingen. Test voor potentiële beeldvormingsartefacten geïnduceerd door de stimulatie huidige of tDCS apparatuur voor aanvang van de eigenlijke experiment (bijvoorbeeld door het testen van de invloed van tDCS van de signaal-ruisverhouding 17, 18).
2. FMRI Setup, Experimental Design, and Materials
Opmerking: Het gebruik van tDCS in een MRI-scanner vereist speciale apparatuur. Vooral bepaalde MRI-compatibele kabels, filterkasten, elektroden en riemen elektroden hechten onderlinge proefpersonen nodig. Figuur 2 toont (A) standaard tDCS landbouwmachines en (B) componenten voor gebruik bij MRI. De laatste componenten zijn noodzakelijk om de mogelijkheid van verwarming onder de elektroden door radiofrequente pulsen die tijdens MRI voorkomen. Bovendien kunnen hoogfrequente beeldvormingsartefacten worden geïnduceerd door de tDCS apparaat. Beide kunnen voorkomen worden door filterkasten buiten en binnen de scannerruimte gepositioneerd kabels met weerstanden en speciale MRI-compatibel geleidend rubber elektroden.
- Voer algemene experimentele opstelling en sequenties voor de fMRI experiment. Beide hangen af van de doelstellingen van de studie. Let op: de onderstaande protocol is specific dit experiment, maar kan worden aangepast aan toepassing op een aantal verschillende experimentele omstandigheden.
- Gebruik een desktop computer met stimulus presentatie-software geïnstalleerd voor een taal taak die visuele presentatie van semantische categorieën in de scanner gaat. Presenteren deze stimuli op een scherm in de scanner via een projector aangesloten op de computer en een systeem van spiegels.
- Gebruik een MRI-compatibele microfoon voor de transmissie van openlijke verbale reacties. Acquire twee functionele sequenties tijdens tDCS: vijf minuten task-afwezig RS-sequentie en een openlijke semantische woord generatie taak. Opmerking: additionele data van de proefopstelling zijn fMRI sequenties en stimuli eerder beschreven 14, 15 en Figuur 1 illustreert het experiment.
- Voor het instellen van de tDCS apparaat, het programma van het apparaat naar een constante gelijkstroom van 1 mA gedurende 20 minuten te leveren aan de gehele duur van de twee functionele scan dekkens, waaronder de korte pauzes en tijd voor instructies tussen scans 14, 15. Zorgen ervoor dat de stimulator voldoende is opgeladen; anders kan het uitschakelen tijdens het experiment.
- Zorg ervoor dat alle benodigde materialen zijn beschikbaar (figuur 2).
3. TDCS Setup buiten-en binnenkant van de Scanner (Zie figuur 3 voor een schematisch overzicht)
- Plaats het buitenste filter box dichtbij de radiofrequentie filter (RF) buis (de penetratiepunt van de radiofrequentie schild van de MRI scanner die gebruikt kan worden om kabels invoegen van buiten de scanner). Sluit stimulator met de buitenkant van de doos met behulp van stimulator kabel. Binnenste en buitenste filter doos mag niet worden verwisseld. Opmerking: Figuur 4A illustreert de tDCS opzet buiten de scanner. De buitendoos is duidelijk aangegeven in figuur 4B.
- Meet kabellengte nodig om herberg te sluitener met omdoos behulp box kabel (zie volgende punt met betrekking tot positionering van de kabel in de scanner kamer). Steek doos kabel in RF-buis vanaf de buitenkant van de scanner en sluit met buitenste filter box (Figuur 4A).
- Plaats binnenste filter box in het achtereinde van de scanner boring (figuur 5); met plakband op zijn plaats te houden. Sluit de kabel box met binnen filter doos en lussen in de kabels te vermijden omdat deze RF-verhitting veroorzaken. Opmerking: De kabel moet worden aangepast aan de wanden van de scanner kamer en bevestigd met plakband (figuur 3).
4. Deelnemer Voorbereiding en positionering van de deelnemer in Scanner
- Zoals bij conventionele tDCS set-ups, inspecteren de huid van de deelnemer voor een reeds bestaande laesies, bewegen haar weg, schone huid met alcohol te verwijderen haarlak, bodylotion, enz. de huid geleidbaarheid onder de elektroden 12, <verbeterensup> 21.
- Geniet spons zakken met zoutoplossing en steek MRI-compatibele elektroden in de zakken (zie DaSilva 21 voor algemene overwegingen van de deelnemer voorbereiding en elektrode positionering).
- Mark elektrode posities op de hoofden proefpersonen met behulp van een pen die geen ferromagnetische sporen (bijv. gebruik geen eyeliner) verlaat. Bepaal doel positie voor anode gebruik 10-20 EEG-systeem (hier: links IFG, 5 x 7 cm 2) 14, 15. Om dit te doen, zoek (a) de kruising van T3-F3 en F7-C3 en (b) het middelpunt tussen F7-F3. De doelpositie is in het midden van een lijn tussen de punten (a) en (b). Plaats kathode (10 x 10 cm 2) over RV supraorbital positie (voor details van plaatsing van de elektroden te zien Meinzer et al.. 14, 15). Bevestig elektroden op het hoofd met behulp van elastiek.
- Begeleiden de deelnemer achter de scanner en sluit elektrode kabel met de innerlijke filtER doos. Schakel de stimulator en testen impedantie door tegelijkertijd op de rechterbovenhoek en de onderste knop links van de stimulator. Als de impedantie limieten bereikt, dan zal de stimulator automatisch. Als dit gebeurt, controleer dan of elektroden hebben contact met de hoofdhuid, schone huid weer of meer zoutoplossing toepassing indien sponzen te droog zijn geworden, en dan controleren of een kabel is gebroken. Opmerking: Impedantie is doorgaans hoger in vergelijking met conventionele set-ups vanwege extra kabels en filter dozen tussen stimulator en elektroden.
- Begeleiden deelnemer in de scanner kamer (na een laatste veiligheidscontrole). Plaats de deelnemer op de scanner gantry en zorg dat elektroden steeds in de juiste positie. Sluit het hoofd spoel. De elektrode kabel dient te worden gevoed via het linker deel van het hoofd spoel (zie figuur 6) of volgens de aanbevelingen van de fabrikant.
- Verplaats deelnemer in scanner boring. Zorg ervoor dat de kabel doenes niet vangen op de balk en breek (zie figuur 6 voor een mogelijke teruggetrokken positie van de kabel tijdens deze fase). Wanneer de deelnemer de uiteindelijke positie in de scanner heeft bereikt, te bereiken voor de elektrode los van de achterkant van de scanner en sluit deze aan op de binnenste filter doos. Overhandigen noodknop om deelnemer en laat de scanner kamer.
5. Vanaf het Stimuleringsprogramma
- Gebruik scanner intercom om de deelnemer te informeren over de start van het scannen sessie. Start de structurele localizer scan (hoofd positie van deelnemer in de scanner te bepalen en zorgen voor de planning van de volgende functionele en structurele scans) met behulp van scanning console. Inspecteer localizer scan hoogfrequente artefacten: Dubbelklik op localizer scan na het einde van de periode van verwerving en het contrast aan te passen (voor Siemens Trio door met de rechter muisknop ingedrukt te houden en de muis te bewegen naar links en rechts, voor voorbeelden zie figuren 7Aen 7B).
- Gebruik scanner intercom het onderwerp dat de stimulatie begint te communiceren en dat hij / zij kan een tintelend gevoel op de hoofdhuid voor korte tijd voelen. Herhaal instructies voor eerste functionele scan. In dit voorbeeld, instrueren de deelnemer aan de ogen gesloten voor de duur van de scan (5 min) te houden, zo weinig mogelijk bewegen en denk aan niets in het bijzonder. Zorg ervoor dat de projector is uitgeschakeld (scherm in de scanner boring is zwart) om visuele stimulatie tijdens RS-scan te voorkomen.
- Start stimulatie handmatig ongeveer 1-2 minuten voor aanvang van de eerste functionele scan (RS-scan). Gebruik scanner console RS-sequentie te laden. Dubbelklik op de RS-sequence open field-of-view (FOV), aan te passen positie om het hele brein te dekken en af te stemmen ongeveer met de anterior-posterior commissuur. Start de eerste scan (met behulp van de knop START scan).
- Monitor impedantie gedurende het experiment. Opmerking: Als de experiment wordt uitgevoerd in een dubbelblind modus (deelnemer en onderzoeker worden blind voor de stimulatie), kan een tweede onderzoeker nodig zijn om de impedantie te bewaken.
- Terwijl de RS-sequentie wordt uitgevoerd, laadt tweede functionele beeldvorming volgorde (voor volgende taaltaak) en stel FOV, op basis van scanner console zoals hierboven, om tijd nodig tussen de scans te verminderen. Na afloop van de RS-sequentie Schakel projector zodat een visuele weergave van experimentele stimuli tijdens taaltaak. Dubbelklik op de presentatie-software icoon en belasting taal paradigma. Gebruik scanner intercom om instructies voor taakgerelateerde fMRI paradigma herhalen en beginnen met de taak 14, 15.
- Na afloop van de stimulatie / fMRI experiment voortgezet met de geplande structurele scans. Niet loskoppelen elektrode kabels tot het einde van het scannen sessie.
- Aan het einde van het experiment, koppelt elektrode kabel vanuit innerlijke filter doos alvorens deelnemer uitscanner boring. Verwijder deelnemer uit de scanner, los hoofd spoel en vraag de deelnemer te gaan zitten en te verwijderen elektroden voorzichtig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Functionele MRI is de meest gebruikte functionele beeldvormende techniek om de onderliggende neurale mechanismen van motorische of cognitieve functies pakken. Meer recent is fMRI ook gebruikt om tDCS effecten op corticale en-connectiviteit evalueren. De meeste van deze studies toegediend tDCS buiten de scanner en geëvalueerd offline effecten van de stimulatie (bijvoorbeeld vóór het scannen 22, 23 toegediend tDCS). Slechts enkele studies tot nu toe hebben tDCS toegediend tijdens gelijktijdige fMRI, met behulp van verschillende bloedoxygenatie niveau afhankelijke contrast (BOLD) 14-17, 24 of perfusieweergave reeksen 13, 19. Die studies gebruikt binnen proefpersonen ontwerpt om functionele hersenactiviteit of perfusie veranderingen vergelijken tijdens atDCS versus sham tDCS om licht te werpen op de neurale mechanismen die ten grondslag liggen onmiddellijke gedragseffecten van tDCS in gezondheid en ziekte 1, 3.
Bijvoorbeeld, in twee recente studies, Meinzer en collega's beoordeeld neurale onderbouwing van atDCS-geïnduceerde prestatieverbeteringen tijdens semantische woord-generatie bij gezonde jongere en oudere volwassenen 15 14. In beide studies prestaties superieur tijdens atDCS toegediend links IFG, vergeleken met placebo stimulatie, aangeduid met een significant afgenomen aantal fouten tijdens de taak. Het meest opvallend is, de prestaties van oudere volwassenen in het semantische woord-generatie, een taak waarvan bekend is dat negatief beïnvloed worden door gevorderde leeftijd 25-28, werd verbeterd tot het niveau van een gelijkaardige groep van jongere volwassenen 14.
Taakgerelateerde fMRI bleek dat verbeterde prestaties tijdens atDCS vergelijking met placebo werd geassocieerd met zeer gelokaliseerde taakgerelateerde activiteit verlaging van het ventrale gedeelte van het IFG in beide studies (figuur 8). Let op, de activiteit in de linker dorsale IFG (een zijneen in de nabijheid van de stimulatieplaats) werd niet beïnvloed door de stimulatie. In lijn met een eerdere studie bij gezonde oudere volwassenen die een ander type woord-retrieval taak (foto benoemen 17) toegepast, kan deze verlagingen activiteit worden gerelateerd aan efficiëntere neurale verwerking van taak-relevante hersengebieden 14, 15. Bovendien wordt in de oudere groep, atDCS verminderde leeftijd gerelateerde verbetering van rechter hersenhelft activiteit en verminderde activiteit werd gecorreleerd met gedrags verbetering 14. Deze bevindingen illustreren het potentieel van deze nieuwe techniek neurale ondersteunen van tDCS actie identificeren stimulering site en ook in verre hersengebieden.
Daarnaast werden grootschalige netwerk-effecten van atDCS bevestigd in beide onderzoeken met behulp van RS-fMRI. A-grafiek op basis van functionele connectiviteit aanpak onthuld: (1) een verbeterde connectiviteit (dwz verbeterde communicatie) tussen de belangrijkste hubs van de taal systengel bij jongere volwassenen in het atDCS, vergeleken met placebo (voor een voorbeeld zie figuur 9, aangepast van Meinzer et al.. 15). Bij oudere volwassenen, atDCS resulteerde in een gedeeltelijke omkering van veranderde structuur van het netwerk in vergelijking met jongere volwassenen 14. Deze bevindingen tonen aan dat grootschalige netwerk-effecten van de stimulatie kan worden geïdentificeerd met behulp van deze techniek.
Figuur 1. Overzicht van gecombineerde tDCS-fMRI experiment. Twee functionele fMRI scans werden verworven (een rusttoestand scan gevolgd door een semantische woord-generatie-taak). Stimulatie (sham of atDCS) begon ongeveer 1-2 minuten voorafgaand aan de rust-stand scan en begon tot het einde van de taaltaak (atDCS), of vóór omlaag werd opgevoerd tot het begin van de rust-stand scan (shben; hier niet beschreven; voor details zie Meinzer et al.. 14,15). Verdere structurele scans werden verkregen na afloop van de stimulatie. Stimulatie locatie (IFG, rode stip in schematische) werd bepaald met behulp van de EEG 10-20 systeem (geel). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. TDCS apparatuur. (A) toont de standaarduitrusting van een tDCS studie. Dit omvat (1) de stimulator, (2) twee elektroden standaard kabels en (3) rubber elektroden en spons zakken voor elektroden. (B) Illustreert extra componenten nodig zijn voor intrascanner tDCS: (4) stimulator kabel, (5) elektrode kabeluitgerust met weerstanden, (6) buiten-en (7) binnenste filter dozen, (8) doos kabel om de twee filter dozen verbinden, en (9) MRI-compatibele rubber elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Schematisch overzicht van tDCS set-up buiten-en binnenkant van de scanner. Gelijkstroom stimulator (1) is verbonden met de buitenste filter doos met behulp van stimulator-kabel (2). Box kabel binnenkomt scanner kamer via radiofrequentie filter buis (3). Box kabel moet worden afgestemd op de wand van de MRI-scan kamer (4) en verbonden met innerlijke filter box die zit al in de MRI-scanner (5). De elektroden zijn bevestigd aan het hoofd van het subject en de elektrode kabel wordt via het linker deel van het hoofd spoel en verbonden met het filter doos binnen (6). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Details van de set-up binnenkant van de scanner. (A) toont de plaatsing van de buitenste filter doos in de buurt van de radio frequentie filter buizen en doos kabel die naar de linker filter buis wordt geplaatst. (B) Close-up van de buitenste doos die niet MRI-compatibel. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Plaatsing van innerlijke filter doos. Dit cijfer illustreert de positie van de binnenste filter doos binnenkant van de scanner (achterkant). Filterkast is geplaatst onder een scherm waarop experimentele stimuli worden gepresenteerd met behulp van een projector. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6. Plaatsing van elektroden kabel. Deze figuur toont het gesloten hoofd spoel van de scanner. (A) Het hoofd van de proefpersoon is gepositioneerd in het hoofd spoel met de elektrodenom het hoofd met rubberen elektroden. Elektrode kabeluitgangen hoofd spoel op de linker kant. (B) De elektrode wordt geplaatst op de top van het hoofd spoel bij het verplaatsen van het onderwerp in de scanner boring. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7. Illustreert hoogfrequente artefacten veroorzaakt door een gebroken kabel. (A) Artifact is niet zichtbaar op axiale deel van de localizer scan met behulp van de standaard contrast in mricron (www.mrico.com). (B) Artifact zichtbaar na het aanpassen van het contrast instellingen (witte pijlen, contrast 0-20). Evenzo hoogfrequente artefact niet zichtbaarin functionele beeldvorming volgorde met behulp van standaard contrast (C), maar wordt zichtbaar na het aanpassen van contrast (D). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8. Impact van atDCS op taakgerichte functionele activiteit. Illustreert significante verminderingen van taak-gerelateerde activiteit tijdens de semantische woord generatie taak in het ventrale deel van de inferieure frontale gyrus (vIFG) bij jongere en oudere volwassenen (atDCS <schijnvertoning, beide p <0,05). Er werden geen significante verschillen gevonden in de linker dorsale IFG (dIFG) in beide groepen. Pleasen klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 9. Effect van atDCS op rust-state functionele connectiviteit. Illustreert gebieden die verbeterd (rood) of verlaagd (blauw) connectiviteit tijdens atDCS vergelijking met sham stimulatie tijdens de rust-stand scan (sagittale plakjes x = -52 / 52, coronale toonde slice z = 5). L = Links halfrond, R = rechter hersenhelft. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 10.;. Verificatie van de positie van het doel (A) Aan de linkerkant van de figuur toont de locatie van de elektrode op de hoofdhuid (Surface rendering gebaseerde beeld-T1-gewogen over het gebruik mricron). (B) De rechterkant van het beeld illustreert de projectie van de elektrode midden in de hersenen van hetzelfde onderwerp. Oriëntatie van het beeld is identiek in beide beelden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De gecombineerde toepassing van tDCS met gelijktijdige fMRI heeft aangetoond potentieel voor het ophelderen van de neurale onderbouwing van de onmiddellijke gevolgen van de stimulatie in de gehele hersenen met een hoge ruimtelijke resolutie 13-19. In de toekomst kunnen dergelijke studies worden aangevuld met gecombineerde EEG-tDCS studies, de superieure temporale resolutie van de laatste techniek benutten. Bovendien intrascanner stimulatie kan worden nagegaan juiste positionering van de elektroden op de hoofdhuid (bijv. met T-gewogen beelden, zie Figuur 10). Dit kan helpen om ongewenste variatie in de experimentele studies te verminderen door een verkeerde plaatsing van de elektroden.
Veiligheid voor intrascanner stimulatie is vastgesteld en met de juiste setup, wordt geen warmte opgewekt onder de elektrodes (bijv. Holland et al.. 17, zie aanvullende materialen van deze studie). De stimulatie afbeelding slechts minimaal invloedkwaliteit. Bijvoorbeeld kan tDCS enigszins induceren gereduceerd signaal-ruisverhouding en gevoeligheid artefacten of vervormingen B0 veld onder de elektroden 17, 18, waarbij de laatste beperkt tot de hoofdhuid (voor overzicht zie Saiote et al.. 23). Echter, evenals hoofdhuid artefacten, een post-mortem onderzoek van Antal et al.. 29 gevonden tDCS-geïnduceerde artefacten met vergelijkbare omvang van fysiologische BOLD effecten tijdens een tik-opdracht in de ventrikels. Daarom zijn onderzoekers geadviseerd om passende afbeelding kwaliteitsborging procedures 23 uit te voeren. Bovendien kan storing in de apparatuur (bijvoorbeeld gebroken verbinding of elektrode kabels) hoge frequentie artefacten in BOLD sequenties induceren (zie figuren 7C en 7D). Daarom moet bijzondere voorzichtigheid geboden bij het hanteren van apparatuur en prescannen procedures voor kwaliteitsborging. Vervanging van kapotte kabels kunnen dergelijke artifac voorkoments.
In het huidige protocol, het gecombineerde gebruik van tDCS twee fMRI sequenties werd beschreven. Om mogelijke interacties tussen taakgerichte fMRI effecten op latere fMRI sequenties te vermijden, en vooral RS-fMRI 30, de RS-fMRI werd voorafgaand aan het semantische woord generatie taak overgenomen. Bovendien aanvullende structurele sequenties (bijv. T1, T2, en diffusie-gewogen scans) werden verkregen is na de functionele sequenties, omdat de zoutoplossing gedrenkte spons elektroden kunnen uitdrogen in de tijd en de stimulatie kan worden bemoeilijkt wanneer intrascanner tDCS wordt toegediend aan het eind van een langere scannen sessie.
Naast het gebruik in experimentele instellingen in gezonde vrijwilligers, toekomstige toepassingen van deze nieuwe techniek denkbaar patiëntenpopulaties. Zo is de combinatie van tDCS met taal toegediende behandeling een aantal dagen achtereen is aangetoond dat de uitkomsten van behandeling te verbeteren in post-stroke language stoornissen (afasie) 31, 32. Echter, terwijl stimulatie-effecten waren significant tussen groepen van patiënten, tot 30% van de individuele patiënten niet profiteren van de stimulatie 32. Het gecombineerde gebruik van tDCS met fMRI kan in de toekomst mogelijk te maken identificatie van patiënten die positief reageren op een bepaald soort stimulatie en helpen identificeren van patiënten die niet deze effecten vertonen. Dergelijke studies zijn een voorwaarde voor het verbeteren van de effectiviteit van toekomstige klinische proeven die gedragsinterventie combineren met tDCS. Andere toepassingen kunnen zijn evaluatie van de neurale onderbouwing van gunstige tDCS-effecten bij dementie en haar voorlopers of andere neurologische of psychiatrische ziekte 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door subsidies van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 en door DFG-Exc-257, UL: 423/1-1), het Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A en 01GY1144; AF en MM: 01EO0801), de Duitse Academic Exchange Service (AF: DAAD-54391829), Go8 Australië - Joint Research Cooperation Scheme (DC: 2011001430) Duitsland, de Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) en de Australian Research Council (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Wij danken Kate Uittenbogaard voor redactionele ondersteuning.
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).
