Summary
גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחי לא פולשנית. זה בהצלחה כבר בשימוש במחקר בסיסי והגדרות קליניות לווסת את תפקוד מוח בבני אדם. מאמר זה מתאר את היישום של tDCS ודימות תהודה מגנטית תפקודיות בו זמנית (fMRI), כדי לחקור את הבסיס העצבי של השפעות tDCS.
Abstract
גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחית לא פולשנית שעושה שימוש בזרמים חשמליים חלשים המנוהלים על הקרקפת כדי לתפעל רגישות קליפת המוח וכתוצאה מכך, התנהגות ותפקוד המוח. בעשור האחרון, מחקרים רבים התייחסו השפעות קצר טווח וארוך טווח של tDCS על מדדים שונים של ביצועים התנהגותיים במהלך משימות מוטוריות וקוגניטיבי, הן באנשים בריאים והן במספר האוכלוסיות חולים שונות. עד כה, עם זאת, מעט מאוד ידוע על היסודות העצביים של tDCS פעולה בבני אדם בכל קשורים לרשתות מוח בקנה מידה גדולה. בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) או electroencephalography (EEG).
בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית. Applicatiעל של tDCS במהלך fMRI מאפשר ניתוח של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה מרחבית גבוהה על פני כל המוח. מחקרים שנעשה לאחרונה שימוש בטכניקה זו זיהו שינויי גירוי הנגרמים בפעילות מוח תפקודית הקשורות למשימות באתר הגירוי וגם באזורים במוח רחוקים יותר, שהיו קשורים עם שיפור התנהגותי. בנוסף, tDCS מנוהל במהלך-נחה המדינה fMRI אפשר זיהוי של שינויים נרחבים בקישוריות תפקודית המוח כולו.
מחקרים עתידיים תוך שימוש בפרוטוקול בשילוב הזה אמורים להניב תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובמחלה ואפשרויות חדשות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות. כתב היד הנוכחית מתארת טכניקה חדשנית זו בצורה של צעד אחר צעד, תוך התמקדות בהיבטים טכניים של tDCS מנוהל במהלך fMRI.
Introduction
גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא שיטה לא פולשנית של גירוי המוחי שבו תפקוד קליפת המוח הוא מווסת על ידי אמצעים של זרם חלש חשמל (בדרך כלל 1-2 mA) הצפוי בין שתי אלקטרודות מודבקות-קרקפת. מבחינה פיזיולוגית, tDCS גורם שינוי קוטביות תלויה בפוטנציאל הממברנה מנוחה עצבי (RMP) בתוך האזור בקליפת המוח הממוקד באמצעות המניפולציה של תעלות נתרן וסידן, ובכך לקדם את השינויים ברגישות קליפת המוח 1. באופן ספציפי, anodal גירוי (atDCS) הוכח להגביר את הפעילות בקליפת המוח באמצעות שלילת קוטביות של RMP העצבי תוך גירוי cathodal (ctDCS) מפחית את רגישות קליפת המוח 2. בהשוואה לסוגים אחרים של גירוי המוח (למשל transcranial גירוי מגנטי) בטיחות כבר מבוססת היטב ועד כה אין לו תופעות לוואי חמור דווח גם באוכלוסיות חלשות 3, 4. כמו כן, לפחות עבור loעוצמות גירוי wer (mA עד 1), פלצבו יעיל ("אחיזת עיניים") מצב גירוי קיים 5, המאפשר מסנוור יעיל של משתתפים וחוקרים לתנאי הגירוי, עיבוד tDCS כלי אטרקטיבי בהגדרות מחקר ניסוייות וקליניות.
מחקרים רבים עד כה הראו כי שינויים אלה ברגישות קליפת המוח עלולים לגרום למודולציות התנהגותיות. במערכת המוטורית, דווחו תופעות תלויות קוטביות עקבית 1, 6 לשני atDCS וctDCS. במחקרים קוגניטיביים, רוב המחקרים שהעסיקו atDCS כדי לשפר תפקודים קוגניטיביים דיווחו השפעות מועילות על ביצועים 7, בעוד ctDCS לעתים קרובות לא הביא לעיבוד הקוגניטיבי לקוי. האחרונים עשויים להיות מוסבר על ידי יתירות רבה יותר של משאבי עיבוד עצביים שבבסיס ההכרה 6. רוב מחקרי tDCS יש מועסקי עיצובים צולבים על ללמודההשפעות מיידיות של הגירוי, אשר לשרוד את סיום הנוכחי רק לפרקי זמן קצרים 1. עם זאת, יש הטוען כי חזרו על השפעות גירוי בסינתזה של חלבונים, כלומר הרכישה העצבית המנגנון הבסיסית מיומנות 8. ואכן, מנוע או הצלחה אימון קוגניטיבי יכול להיות משופרת בשילוב עם הפעלות tDCS חוזרות ונשנות ויציבות לטווח הארוך של שיפורים אלה כבר דיווחו להימשך עד מספר חודשים במבוגרים בריאים 8-10. גם ממצאים אלה עוררו עניין בשימוש בtDCS בהקשרים קליניים ונתונים ראשוניים מצביע על כך שזה יכול להיות גם שימושי כגישת טיפול ראשונית או מן החוץ באוכלוסיות קליניות שונות 3. עם זאת, בעוד שמספר גדול יחסית של מחקרים התייחס תופעות neurophysiological של tDCS במערכת המוטורית, מעט מאוד ידוע על המנגנונים העצביים הבסיסיים של תופעות tDCS על תפקודי מוח הקוגניטיביים בבריאות ובחוליים.הבנה טובה יותר של אופן פעולה של tDCS היא תנאי הכרחי עבור יישומים ממוקדים יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.
בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו electroencephalography (EEG) או תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). רוב המחקרים לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית שבחרו להעסיק 11 fMRI. בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית 11. יתר על כן, בשילוב עם יישום במקביל של tDCS, fMRI מאפשר בחינה של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה גבוהה יותר המרחבי על פני כל המוח, בהשוואה לEEG (לתיאור האחרון של שילוב tDCS-EEG רואה Schestatsky et al. 12). כתב היד הנוכחית מתארת השימוש בדואר משולב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית. טכניקה חדשנית זו בהצלחה נעשתה שימוש כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס מושרה tDCS מודולציות של תפקודים מוטוריים והקוגניטיביים 13-19. בעתיד, בשילוב פרוטוקול זה יניבו תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובחוליים. הבנת ההשפעה של tDCS ברשתות עצביות בקנה מידה גדולה כפי שהוערך בטכניקה זו עשויה להניח את היסודות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.
כתב היד תתמקד בהבדלים בין ניסויי tDCS התנהגותיות והשימוש בשילוב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית, עם דגש ספציפי על דרישות חומרה, יישום של הטכניקה, ושיקולי בטיחות. כדוגמא, פגישה אחת של tDCS מנוהל על הרכס החזיתי התחתון של האונה השמאלית (IFG) במהלך משימה נעדרה מנוחת מדינה (RS) fMRI וזמן משימה שפה 14, 15 wלהיות מתואר חולה, למרות שיישומים רבים אחרים אפשריים 16, 19. פרטים של עיצוב ניסיוני, מאפייני משתתף ונהלי ניתוח נתוני ה-fMRI שתוארו בפירוט בפרסומים המקוריים 14,15 והם מעבר להיקפו של כתב היד הנוכחית. יתר על כן, במחקרים אלה, fMRI נוסף לסרוק שדמה מעורב tDCS נרכש ובהשוואה לתוצאות של פגישת atDCS (ראה "תוצאות נציג" לפרטים נוספים). במושב זה היה זהה לזה שתואר בכתב היד הנוכחי, פרט לכך שהגירוי הופסק לפני תחילת פגישת הסריקה (ראה איור 1 לפרטים נוספים). ההליך הנוכחי יושם בהצלחה בסורק 3-טסלה סימנס טריו MRI במרכז ברלין להדמיה מתקדמות (Charité אוניברסיטה לרפואה, ברלין, גרמניה), וצריך באופן עקרוני להיות ישים לסורקים אחרים, כמו גם 13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. התוויות נגד ושיקולים מיוחדים
- יסודיות מסך משתתפים להתוויות נגד MRI (למשל קוצבי לב, קלאוסטרופוביה, וכו ') ולא לכלול במידת צורך. לרכוש שאלונים סטנדרטיים במוסדות קליניים או מחקר הפועלים סורקי MRI. תמיד לציית לנהלי בטיחות סטנדרטיים, כאשר נכנסנו לחדר של הסורק.
- יסודיות מסך משתתפים להתוויות נגד לtDCS. אלה עשויים לחפוף עם התוויות נגד לבדיקת MRI. ראה Villamar et al. 20 לירושלים.
- התייעץ עם מתקן ההפעלה לגבי בטיחות ותקנות מקומיות אתיקה ולקבל הרשאות נחוצות. מבחן לממצאי הדמיה פוטנציאליים הנגרמים על ידי הציוד הנוכחי או tDCS הגירוי לפני תחילתו של הניסוי בפועל (למשל על ידי בדיקת ההשפעה של tDCS על יחס אות לרעש 17, 18).
2. FMהתקנת RI, ניסויי עיצוב וחומרים
שים לב: השימוש בtDCS בתוך סורק MRI דורש ציוד מיוחד. בפרט, ספציפי כבלים MRI תואמים, קופסות מסנן, אלקטרודות ורצועות לחבר אלקטרודות לראש של הנבדקים נדרשים. איור 2 מדגים (א) ציוד tDCS סטנדרטי ורכיבים (ב ') לשימוש עם ה-MRI. הרכיבים האחרונים הם נחוצים כדי למנוע את האפשרות של חימום מתחת לאלקטרודות בשל פולסים בתדר הרדיו נפלטים במהלך בדיקת MRI. בנוסף, ממצאי הדמיה בתדירות גבוהה עלולים להיגרם על ידי מכשיר tDCS. שניהם ניתן למנוע על ידי שימוש בתיבות מסנן ממוקם מחוץ ובתוך חדר הסורק, כבלים מצוידים בנגדים ואלקטרודות מוליך MRI תואמים ייעודי גומי.
- בצע ניסוי הגדרה כללית ורצפים לניסוי fMRI. שניהם תלויים במטרות המחקר. הערה: הפרוטוקול שלהלן הוא speciFIC לניסוי הזה, אבל יכול להיות מתוקן לחול על מספר מצבי ניסוי שונים.
- השתמש במחשב שולחני עם תוכנת מצגת גירוי המותקן למשימה בשפה שיש בה מצגת חזותית של קטגוריות סמנטיות בתוך הסורק. להציג את הגירויים האלה על מסך הפנימי של הסורק באמצעות מקרן מחובר למחשב ומערכת של מראות.
- השתמש במיקרופון MRI תואם לשידור של תגובות מילוליות גלויות. לרכוש שני רצפים תפקודיים במהלך tDCS: המשימה נעדרה RS-רצף של חמש דקות ומשימת מילת דור סמנטית גלויה. הערה: פרטים נוספים על ניסיוני ההגדרה, רצפי ה-fMRI וגירויים בעבר תיארו בפירוט 14, 15 ואיור 1 מדגים את הניסוי.
- למכשיר תכנית tDCS, להגדיר את המכשיר כדי לספק זרם חשמלי קבוע קבוע של 1 mA עבור 20 דקות כדי לכסות את כל תקופת הסריקה שתי הפונקציונליתים, כולל הפסקות וזמן להוראות שבבין סריקות 14, 15 קצרים. ודא בטוח שהממריץ היא טעון מספיק; אחרת זה עלול נסגר במהלך הניסוי.
- ודא שכל החומרים הדרושים זמינים (איור 2).
3. התקנת tDCS מחוץ ובתוך הסורק (ראה איור 3 לסקירה סכמטי)
- מניחים את תיבת המסנן החיצונית קרובה למסנן תדר רדיו הצינור (RF) (כלומר נקודת החדירה במגן תדר הרדיו של סורק ה-MRI, שניתן להשתמש כדי להכניס כבלים מחוץ לסורק). חבר ממריץ עם התיבה החיצונית באמצעות כבל ממריץ. תיבת סינון פנימית וחיצונית לא חייבת להיות מעורבת. הערה: איור 4 א ממחיש את tDCS ההגדרה מחוץ לסורק. התיבה החיצונית מסומנת בבירור באיור 4.
- למדוד את אורך כבל הנדרש כדי להתחבר פונדקאה עם תיבה חיצונית באמצעות כבל תיבה (ראה נקודה הבאה לגבי מיקום של כבלים בחדר סורק). הכנס ממיר כבלים לתוך צינור RF מבחוץ של הסורק ולהתחבר עם תיבה חיצונית מסנן (איור 4 א).
- הנח תיבת מסנן פנימית בתוך חלקו האחורי של שעמם הסורק (איור 5); להשתמש בנייר דבק כדי לשמור אותו במקום. מחבר את כבל תיבה עם תיבת מסנן פנימית ולמנוע לולאות בכבלים כמו אלה עלולים לגרום לחימום RF. הערה: הכבל צריך להיות מתואם עם קירות חדר הסורק ומחובר עם דבק (איור 3).
4. משתתף הכנה ומיקום של משתתף בסורק
- כמו עם tDCS הקונבנציונלי להגדיר קופצים, לבדוק את העור של המשתתף לכל נגעים טרום קיימים, להזיז את שיער משם, עור נקי עם אלכוהול כדי להסיר תרסיס, קרם גוף, וכו '. כדי לשפר את מוליכות עור מתחת לאלקטרודות 12, <sup> 21.
- משרים כיסי ספוג עם תמיסת מלח ולהכניס אלקטרודות MRI תואמות לכיסים (ראה DaSilva 21 לשיקולים כלליים של הכנת משתתף ומיצוב אלקטרודה).
- עמדות אלקטרודה סימן על ראשי תושבים באמצעות עט שאינו מותיר עקבות פרומגנטי (למשל לא משתמשים באייליינר). לקבוע את מיקום יעד להאנודה באמצעות 10-20 מערכת ה-EEG (כאן: עזב את הממשלה העתידית, 5 x 7 סנטימטר 2) 14, 15. לשם כך, אתר (א) לצומת של T3-F3 וF7-C3 ו (ב) נקודת האמצע בין F7-F3. מיקום היעד הוא במרכזו של נקודות חיבור קו (א) ו (ב). קתודה מקום (10 x 10 2 סנטימטר) מעל עמדת supraorbital תקין (לפרטים אודות מיקום האלקטרודה לראות Meinzer et al. 14, 15). חבר אלקטרודות לראש באמצעות גומייה.
- להנחות את המשתתף מאחורי הסורק ולחבר את כבל האלקטרודה עם filt הפנימיתיבה אה. הפעל ממריץ ועכבת בדיקה על ידי לחיצה על הכפתור הימני העליונות ושמאלי תחתון של ממריץ בו זמנית. אם גבולות העכבה הם הגיעו, ואז ממריץ יפסיק באופן אוטומטי. במקרה זה, לבדוק אם יש לי אלקטרודות מגע עם הקרקפת, עור נקי שוב או להחיל יותר תמיסת מלח אם ספוגים הפכו יבשים מדי, ולאחר מכן בדוק אם כל כבל שבור. הערה: עכבה היא בדרך כלל גבוהה יותר בהשוואה לקבוצה קופצים קונבנציונלית בגלל כבלים נוספים ותיבות מסנן בין ממריץ ואלקטרודות.
- מדריך משתתף לתוך סורק החדר (לאחר בדיקת בטיחות סופית). מקם את המשתתף על gantry הסורק ולוודא כי אלקטרודות עדיין נמצאות במיקום הנכון. סגור את סליל הראש. כבל האלקטרודה צריך להיות מוזן דרך החלק השמאלי התחתון של סליל הראש (ראה איור 6) או לפי המלצות היצרן.
- הזז משתתף לשעמם סורק. ודא שהכבל עושהes לא תתפוס על הפיגום ולשבור (ראה איור 6 לעמדה בטוחה אפשרית של הכבל בשלב זה). כאשר המשתתף הגיע לעמדתו הסופית בתוך הסורק, להגיע לכבל האלקטרודה מהקצה האחורי של הסורק ולחבר אותו לתיבת המסנן הפנימית. למסור לחצן חירום למשתתף ולעזוב את החדר של הסורק.
5. החל גירוי
- השתמש אינטרקום סורק כדי ליידע את המשתתף על תחילת פגישת סריקה. התחל את סריקת Localizer המבנית (כדי לקבוע עמדה בראשו של משתתף בסורק ולאפשר תכנון של סריקות תפקודיות ומבניות שלאחר מכן) באמצעות קונסולת סריקה. בדוק סריקת Localizer לחפצים בתדירות גבוהה: לחץ לחיצה כפולה על סריקת Localizer לאחר תום תקופת הרכישה ולכוונן את החדות (לסימנס טריו ידי החזקת לחצן עכבר ימני והזזת עכבר לשמאל וימין, לדוגמאות ראו איורים 7 או7 ב).
- השתמש אינטרקום סורק כדי לתקשר לנושא שהגירוי יחל, וכי הוא / היא עלולה להרגיש תחושת עקצוץ בקרקפת למשך זמן קצר. חזור על הוראות לסריקה תפקודית ראשונה. בדוגמא זו, להנחות את המשתתף כדי לשמור על העיניים עצומות למשך הסריקה (5 דקות), הזז מעט ככל האפשר ולא לחשוב על שום דבר מיוחד. ודא שהמקרן כבוי (מסך בתוך שעם הסורק הוא שחור), כדי למנוע גירוי ויזואלי במהלך RS-סריקה.
- התחל גירוי ידני כ 1-2 דקות לפני תחילת הסריקה הראשונה התפקודית (RS-סריקה). השתמש במסוף סורק כדי לטעון RS-רצף. לחץ לחיצה כפולה על RS-רצף כדי לפתוח שדה של נוף (FOV), להתאים את המצב כדי לכסות את כולו המוח וליישר עם כ השליך הקדמי, אחורי. התחל את הסריקה הראשונה (תוך שימוש בלחצן סריקת START).
- לפקח עכבה לאורך כל הניסוי. הערה: אם experiment מתנהל במצב כפול סמיות (משתתף וחוקר מסונוורים לגירוי), חוקר שני עשויים להיות נחוץ כדי לפקח על העכבה.
- בעוד RS-הרצף פועל, לטעון רצף הדמיה תפקודי שני (למשימה בשפה שלאחר מכן) ולהתאים FOV, באמצעות קונסולת סורק כאמור לעיל, כדי להפחית את הזמן הנדרש בין סריקות. לאחר סיומה של RS-הרצף, הפעל את מקרן על מנת לאפשר תצוגה ויזואלית של גירויים ניסיוניים במהלך משימה בשפה. לחץ לחיצה כפולה על סמל תוכנת מצגת והפרדיגמה שפת עומס. השתמש אינטרקום סורק הוראות לחזור לפרדיגמה fMRI הקשורות למשימות ולהתחיל עם משימה 14, 15.
- לאחר תום ניסוי הגירוי / fMRI, להמשיך בסריקות מבניות מתוכננות. אין לנתק את כבלי אלקטרודה עד סוף פגישת הסריקה.
- בסוף הניסוי, נתק כבל האלקטרודה מתיבת מסנן פנימי לפני שעברתי את המשתתףפיר סורק. הסר את המשתתף מהסורק, לנתק את סליל ראש ושואל את המשתתף לשבת ולהסיר את האלקטרודות בזהירות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
MRI התפקודי הוא טכניקת הדמיה הפונקציונלית ביותר בשימוש נרחב לטיפול במנגנונים העצביים הבסיסיים של תפקודים מוטוריים או קוגניטיבית. לאחרונה, fMRI שימש גם כדי להעריך את השפעות tDCS על פעילות וקישוריות בקליפת המוח. עם זאת, רוב המחקרים הללו מנוהלים tDCS מחוץ לסורק והערכת השפעות לא מקוונות של הגירוי (מנוהל tDCS כלומר לפני הסריקה 22, 23). רק מעט מחקרים עד כה מנוהלים tDCS במהלך fMRI בו זמנית, תוך שימוש בניגוד שונה ברמת חמצון דם תלוי (BOLD) 14-17, 24 או הדמיה זלוף רצפי 13, 19. מחקרים אלה המשמשים בנושאים עיצובים כדי להשוות את פעילות מוח תפקודית או שינויי זלוף במהלך atDCS לעומת tDCS דמה כדי לשפוך אור על המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות התנהגותיות מיידיות של tDCS בבריאות ובחוליים 1, 3.
לדוגמא, בשני מחקרים שנערך לאחרונה, Meinzer ועמיתיו העריכו יסודות עצביים של שיפורי ביצועים מושרה atDCS במילת דור סמנטי במבוגרים צעירים 15 ומבוגרים בריאים 14. בשני המחקרים, ביצועים היו מעולים במהלך atDCS ניתן לממשלה בגלות השאירה לעומת גירוי דמה, שמסומן על ידי מספר מופחת באופן משמעותי של שגיאות במהלך המשימה. בעיקר, ביצועים של אנשים מבוגרים במילת דור סמנטי, משימה שידועה להיות מושפעים לרעה על ידי גיל מתקדם 25-28, השתפרו עד לרמה של קבוצה תואמת של מבוגרים צעירים 14.
fMRI הקשורים למשימה גילה כי ביצועים משופרים במהלך atDCS לעומת דמה קשור להפחתה מקומית מאוד הקשורות למשימות פעילות בחלק הגחוני של הממשלה העתידית בשני המחקרים (איור 8). שים לב, פעילות בממשלה בגלות הגבי שמאל (האםבקרבת אתר הגירוי) לא הושפע מהגירוי. בקנה אחד עם מחקר קודם גם במבוגרים בריאים שהעסיקו סוג של מילה שליפת משימה (תמונת שמות 17) שונה, הפחתת הפעילות אלה עשויות להיות קשור לעיבוד עצבי יעיל יותר באזורים רלוונטיים במוח משימה 14, 15. יתר על כן, בקבוצה המבוגרת יותר, atDCS מופחת שיפור הקשורות לגיל של פעילות בהמיספירה ימנית ופעילות מופחתת הייתה בקורלציה עם שיפור התנהגותי 14. ממצאים אלה ממחישים את הפוטנציאל של טכניקה חדשנית זו כדי לזהות יסודות עצביים של tDCS פעולה באתר הגירוי וגם באזורים במוח רחוקים.
בנוסף, תופעות רשת בקנה מידה גדולה של atDCS אושרו בשני המחקרים באמצעות RS-fMRI. גישת קישוריות תפקודית המבוסס על גרף חשפה: (1) קישוריות משופרת (תקשורת משופרת כלומר) בין רכזות העיקריות של סאי השפהגזע במבוגרים צעירים במהלך atDCS לעומת דמה (לדוגמא ראה איור 9, מותאם מMeinzer et al. 15). בקרב אנשים מבוגרים, atDCS הביא להיפוך חלקי של מבנה רשת השתנה בהשוואה למבוגרים צעירים 14. ממצאים אלה מראים כי השפעות רשת בקנה מידה גדולה של הגירוי יכולות להיות מזוהות באמצעות טכניקה זו.
איור 1. סקירה כללית של ניסוי tDCS-fMRI משולב. שתי סריקות fMRI פונקציונליות נרכשו (סריקה מנוחת מדינה ואחרי משימת מילת דור סמנטית). גירוי (דמה או atDCS) החל כ 1-2 דקות לפני הסריקה מנוחת המדינה והחל עד סוף את משימת השפה (atDCS), או היה ramped למטה לפני תחילת הסריקה מנוחת המדינה (shאני; לא תאר כאן; לפרטים ראה Meinzer et al. 14,15). סריקות מבניות נוספות נרכשו לאחר תום הגירוי. מיקום גירוי (IFG, נקודה אדומה בסכמטית) נקבע באמצעות מערכת ה-EEG 10-20 (הצהוב). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. ציוד tDCS. (א) מראה ציוד סטנדרטי עבור מחקר tDCS. זה כולל (1) ממריץ, (2) שני כבלי האלקטרודה סטנדרטיים, ו (3) אלקטרודות גומי וכיסי ספוג לאלקטרודות. (ב) ממחיש רכיבים נוספים הנדרשים לtDCS intrascanner: (4) כבל ממריץ, (5) כבל האלקטרודהמצויד בנגדים, (6) וחיצוניים (7) תיבות סינון פנימי, (8) ממיר כבלים כדי לחבר את שתי תיבות המסנן, ו( 9) אלקטרודות גומי MRI תואמות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. סכמטי סקירה של tDCS ההגדרה מחוץ ובתוך הסורק. ממריץ זרם ישיר (1) מחובר עם תיבת מסנן חיצונית באמצעות כבל ממריץ (2). ממיר כבלים נכנס לחדר של סורק דרך צינור מסנן תדרי רדיו (3). ממיר כבלים צריכים להיות מיושר עם הקיר של חדר MRI הסריקה (4) ומחוברים לתיבת מסנן פנימית שממוקמת בתוך סורק MRI (5). אלקטרודות מחוברות לראש של הנושא ואלקטרודה כבל מוזן דרך החלק השמאלי התחתון של סליל הראש ומחובר עם תיבת המסנן הפנימית (6). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. פרטים של הגדרה פנימית של הסורק. (א) מראה מיקום של תיבת מסנן החיצונית בקרבת שפופרות רדיו תדירות המסנן וממיר הכבלים שמוכנסים לתוך צינור המסנן השמאלי. (ב) תקריב של תיבה חיצונית שאינה MRI תואם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. מיקום של תיבת מסנן פנימית. נתון זה ממחיש את המיקום של תיבת מסנן הפנימית בתוך הסורק (אחור). תיבת מסנן ממוקמת מתחת מסך שעליו גירויים ניסיוניים מוצגים באמצעות מקרן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. מיקום של כבל האלקטרודה. נתון זה מראה את סליל הראש הסגור של הסורק. (א) הראש של הנושא ממוקם בסליל ראש עם אלקטרודות המחוברותלראש עם אלקטרודות גומי. יציאות כבל האלקטרודה ראש סליל בצד השמאלי התחתון. אלקטרודה (B) ממוקמת בחלקו העליון של סליל הראש בעת העברת הנושא לשעמם הסורק. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7. ממחיש חפצים בתדירות גבוהה הנגרמים על ידי כבל שבור. () חפץ אינו גלוי על הפרוסה צירית של סריקת Localizer באמצעות הניגוד הסטנדרטי בMRIcron (www.mrico.com). חפץ (B) הופך לגלוי לאחר התאמת הגדרות ניגוד (חצים לבנים, הגדרות ניגוד 0-20). בדומה לכך, החפץ בתדירות גבוהה אינו גלויברצף הדמיה תפקודי באמצעות ברירת מחדל של הניגודיות (C), אבל הופך לגלוי לאחר התאמת ניגוד (ד '). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8. השפעת atDCS על פעילות פונקציונלית הקשורות למשימה. ממחיש הפחתה משמעותית של פעילות משימה הקשורות במשימת מילת הדור הסמנטית בחלק הגחוני של gyrus הקדמי הנחות (vIFG) במבוגרים צעירים ומבוגרים (atDCS <דמה, שניהם p <0.05). לא נמצאו הבדלים משמעותיים בממשלה העתידית הגבי עזבה (dIFG) בשתי הקבוצות. Pחכירה לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 9. השפעת atDCS בקישוריות תפקודית-מנוחת מדינה. ממחיש אזורים שהראו משופר (אדום) או מופחת קישוריות (כחולה) בatDCS לעומת גירוי דמה במהלך הסריקה-מנוחת המדינה (= x פרוסות sagittal -52/52, העטרה z פרוסה = 5). L = אונה שמאלית, R = אונה ימנית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 10.;. צד השמאל של דמות אימות של מיקום היעד () מראה את המיקום של האלקטרודה על הקרקפת (עיבוד פני שטח בהתאם לתמונת T1-משוקלל באמצעות MRIcron). (ב) בצד הימני של התמונה ממחיש את ההשלכה של מרכז אלקטרודה למוח של אותו הנושא. אוריינטציה של תמונה זהה בשני התמונות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
היישום המשולב של tDCS עם fMRI בו זמנית הראה פוטנציאל להבהרת היסודות העצביים של ההשפעות מיידיות של הגירוי על פני כל המוח עם רזולוציה מרחבית גבוהה 13-19. בעתיד, מחקרים כאלה עשויים להיות כהשלמה מחקרי EEG-tDCS משולבים, כדי לנצל את הרזולוציה הזמנית מעולה של הטכניקה האחרונה. בנוסף, intrascanner גירוי מאפשר אימות של מיקום הנכון של אלקטרודות על הקרקפת (לדוגמא שימוש בתמונות משוקללת T, ראה איור 10). זה יכול לעזור להפחית שונות בלתי רצויות במחקרים ניסיוניים בשל מיקום האלקטרודה שגוי.
בטיחות לגירוי intrascanner כבר נקבעה ועם התקנה מתאימה, אין חום מושרה מתחת לאלקטרודות (למשל הולנד ואח'. 17, ראה חומרים משלימים של מחקר זה). הגירוי מינימאלי רק משפיע על דימויאיכות. לדוגמא, tDCS עלול לגרום למעט מופחת יחס אות לרעש וחפצי רגישות או עיוותי שדה B0 מתחת לאלקטרודות 17, 18, עם האחרון המוגבל לקרקפת (לסקירה ראה Saiote et al. 23). עם זאת, כמו גם חפצי קרקפת, מחקר שלאחר המוות על ידי אנטל ואח'. 29 מצאו ממצאים הנגרמים tDCS עם גודל דומה של תופעות BOLD פיסיולוגיות במהלך משימת אצבע קשה בחדרים. לכן, חוקרים, מומלץ לנהל נהלי הבטחת איכות תמונה מתאימים 23. יתר על כן, תקלה בציוד (כבלי חיבור לדוגמא שבורה או האלקטרודה) עלול לגרום לחפצים בתדירות גבוהה ברצפי BOLD (ראה 7C דמויות ו7D). לפיכך, יש להקפיד במיוחד בעת הטיפול בציוד וprescanning נהלי אבטחת איכות. החלפה של כבלים שבורים יכולה למנוע artifac כזהts.
בפרוטוקול הנוכחי, השימוש בשילוב של tDCS עם שני רצפי ה-fMRI שתואר. כדי להימנע מאינטראקציות אפשריות בין תופעות fMRI הקשורות למשימות ברצפי ה-fMRI שלאחר מכן, ובמיוחד RS-fMRI 30, RS-fMRI נרכש לפני משימת מילת הדור הסמנטית. יתר על כן, רצפים נוספים מבניים (למשל T1, T2, וסריקות דיפוזיה משוקללות) נרכשו לאחר הרצפים תפקודיים בגלל אלקטרודות ספוג ספוג המלוחים עלולות להתייבש לאורך זמן והגירוי עלול להיות בסכנה אם intrascanner tDCS מנוהל בסופו של עוד פגישת סריקה.
מלבד השימוש בהגדרות ניסוי במשתתפים בריאים, יישומים עתידיים של טכניקה חדשנית זו הם על הדעת באוכלוסיות חולה. לדוגמא, השילוב של tDCS עם טיפול שפה מנוהל על פני כמה ימים ברציפות הוכח כדי לשפר את תוצאות טיפול בשבץ שלאחר langהפרעות uage (אפזיה) ביום 31 ב, 32. עם זאת, בעוד השפעות הגירוי היו משמעותיות על פני קבוצות של חולים, עד 30% מהחולים בודדים לא נהנו מהגירוי 32. השימוש בשילוב של tDCS עם fMRI עשוי בעתיד לאפשר זיהוי של חולים המגיבים בחיוב לסוג מסוים של גירוי ולסייע בזיהוי חולים שלא מראים את ההשפעות הללו. מחקרים כאלה הם תנאי הכרחי לשיפור האפקטיביות של ניסויים קליניים בעתיד המשלבים התערבות התנהגותית עם tDCS. יישומים אחרים עשויים לכלול הערכה של התשתית העצבית של tDCS-השפעות מועילות בדמנציה ומבשריה או מחלה נוירולוגית או פסיכיאטרית אחרת 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מדויטשה Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 ועל ידי DFG-EXC-257, UL: 423/1-1), Bundesministerium פרווה Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A ו01GY1144; AF וMM: 01EO0801), הגרמני אקדמי שירות ההחלפה (AF: DAAD-54,391,829), Go8 אוסטרליה - גרמניה למחקר המשותף לשיתוף פעולה Scheme (DC: 2011001430), קרונה-Else Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2,011-119) והמועצה האוסטרלית למחקר (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). אנו מודים לקייט Riggall למערכת סיוע.
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).
