Behavior

经颅直流电刺激和同步功能磁共振成像

Published: April 27, 2014 doi: 10.3791/51730

Marcus Meinzer^1,2, Robert Lindenberg², Robert Darkow², Lena Ulm², David Copland¹, Agnes Flöel²

¹Centre for Clinical Research, University of Queensland, ²Department of Neurology, NeuroCure Clinical Research Centre, and Centre for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin

Summary

经颅直流电刺激（TDCS的）是一种无创性脑刺激技术。它已经成功地被用于基础研究和临床设置，以调节在人类大脑功能。本文介绍了TDCS的实施和同步功能磁共振成像（fMRI）技术，探讨TDCS的影响的神经基础。

Abstract

经颅直流电刺激（TDCS的）是使用施用于头皮操纵皮质兴奋性弱的电流，因此，行为和脑功能的非侵入性脑刺激技术。在过去十年中，大量的研究已经解决了TDCS的关于在运动和认知任务的行为表现不同的措施短期和长期影响，无论是在健康个体，并在许多不同的患者人群。到目前为止，然而，很少有人知道的TDCS的作用在人类对于大规模的大脑网络的神经基础。这个问题可以通过结合TDCS的与像功能性磁共振成像（fMRI）或脑电图（EEG），脑功能成像技术来解决。

特别地，功能磁共振成像是使用最广泛的脑成像技术来调查相关的认知和运动功能的神经机制。 APPLICATI在功能磁共振成像在TDCS的允许相关行为TDCS的效果与整个大脑的高空间分辨率的神经机制的分析。使用这种技术最近的研究确定了在现场的刺激与任务相关的脑功能活动，也是在更遥远的大脑区域的刺激引起的变化，这与行为的改善有关。此外，在静息状态功能磁共振管理TDCS的可识别的全脑功能连接广泛的变化。

使用此协议相结合今后的研究应该产生新的见解的健康和疾病，并用于研究和临床设置更有针对性的应用TDCS的新的选择TDCS的作用机制。本稿件描述了这一新技术在一步一步的时尚，侧重于功能性磁振造影过程中给予TDCS的技术方面。

Introduction

经颅直流电刺激（TDCS的）是脑刺激的非侵入性方法，其中皮质功能是由两个头皮固定电极之间伸出的弱电流（通常为1-2毫安）来调制。生理上，TDCS的诱导目标皮质区域内通过的钠和钙通道的操纵极性依赖性转变神经元静息膜电位（RMP），从而促进改变大脑皮质的兴奋性^1。具体地，正极的刺激（atDCS）已被证明通过神经RMP的去极化增加皮质活动，而阴极刺激（ctDCS）降低皮质兴奋^2。相对于其他类型的脑刺激（如经颅磁刺激）安全性已经确立，因此至今没有严重的副作用，甚至在弱势群体^3，4报道。还有，至少对于罗WER刺激强度（高达1 mA），一个有效的安慰剂（“假”）的刺激条件存在^5，让参与者和研究者的有效致盲的刺激条件下，使TDCS的实验和临床研究设置一个有吸引力的工具。

许多研究迄今已经表明，这些变化在皮层的兴奋性，可能导致行为上的调制。在电机系统，一致的极性依赖性作用已报道^1,6两个atDCS和ctDCS。在认知研究中，大多数研究认为采用atDCS提高认知功能上的报道⁷性能的有利影响，而ctDCS往往没有造成损害认知加工。后者可以通过相关的认知⁶神经处理资源的更大的冗余解释。多数TDCS的研究都采用交叉设计研究刺激的直接影响，而经久的电流仅持续¹短周期的终止。然而，有人认为，反复对蛋白质合成的刺激影响，即神经机制基本技能的获得^8。事实上，运动或认知训练成功时，可能会反复TDCS的会话和这些改进长期稳定性已报告持续长达数月的健康成人^8-10相结合得到增强。这些发现也引发了兴趣，在临床背景和初步数据使用TDCS的的建议，也可能是在各种临床人口³主要或辅助治疗的方法是有用的。然而，当相对大量的研究，在电机系统解决TDCS的神经生理学作用，鲜为人知的是对健康和疾病的认知脑功能TDCS的影响相关的神经机制。更好地了解TDCS的作用的模式是一个必要的前提TDCS的在研究和临床设置更有针对性的应用。

这个问题可以通过结合TDCS的与像脑电图（EEG）或功能性磁共振成像（fMRI）功能性脑成像技术来解决。大多数研究调查相关的认知和运动功能的神经机制已选择采用功能磁共振成像^11。特别地，功能磁共振成像是使用最广泛的脑成像技术来调查相关的认知和运动功能¹¹的神经机制。此外，当与TDCS的并发应用程序相结合，功能性磁振造影检查可基本行为TDCS的效果与整个大脑更高的空间分辨率相比，脑电图的神经机制（近期联合TDCS的脑电图的说明，请参阅Schestatsky 等^。12）。本手稿描述日TDCS的过程中同时进行功能磁共振成像É联合使用。这种新颖的技术已经被成功地用于研究相关的运动和认知功能^13-19 TDCS的诱导调制的神经机制。在未来，这一合并协议将产生新的见解的健康和疾病TDCS的作用机制。了解TDCS的对大型神经网络的影响为评估这种技术可能会奠定了基础研究和临床的设置更有针对性的应用TDCS的的。

这份手稿将集中于行为TDCS的实验和TDCS的过程中同时进行功能磁共振成像的结合使用之间的差异，与特定的重点放在硬件要求，实现技术，以及安全方面的考虑。作为一个例子，在任务没有静息状态（RS）和功能磁共振成像在语言任务^{14，15瓦特}给予左额下回（IFG）TDCS的单个会话病进行描述，但许多其它应用是可能的^16，19。实验设计，参与者的特征和功能磁共振成像数据分析程序的详情，已详列于原出版物^14,15描述，并超出了本手稿的范围。此外，在这些研究中，一个额外的功能磁共振成像扫描，涉及假TDCS的收购和比较atDCS会议的成果（见“代表性成果”一节）。本次会议是相同的，在目前的手稿中描述的，不同之处在于刺激被中断的扫描工作阶段（ 见图1节）开始之前。本程序已经成功实施在3特斯拉西门子三重奏核磁共振成像扫描仪在柏林中心的高级成像（蒂大学医学院，德国柏林），并原则上应适用于其他扫描仪，以及^13。

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Protocol

1，禁忌和特殊注意事项

彻底筛选参与者MRI检查禁忌症（如心脏起搏器，幽闭恐惧症，等等），并排除如果必要的。收购标准问卷在那工作核磁共振成像扫描仪的临床或科研机构。总是进入扫描仪的房间时，切记遵守标准的安全程序。
彻底筛选参与者禁忌TDCS的。这些可能重叠与禁忌MRI检查。举一个例子见VILLAMAR 等^[20]。
请咨询当地的有关安全和伦理规范经营设施，并获得必要的权限。测试由刺激电流或TDCS的设备开始实际实验（ 例如，通过检测在信号与噪声的比值^17，18 TDCS的影响）的前诱发电位成像伪影。

2，FMRI设置，实验设计和材料

注：核磁共振成像扫描仪内使用TDCS的，需要特殊的设备。特别是，具体的MRI兼容的电缆，过滤器箱，电极和肩带电极附着到受试者的头部是必需的。图2示出了（A）的标准TDCS的设备和（B）成分与MRI用。后者元件是必要的，以防止加热引起的磁共振成像过程中发出的射频脉冲，在电极下的可能性。此外，高频成像伪影可能由TDCS的设备来诱导。既可以通过使用位于外侧，并且扫描仪的房间的内部过滤器箱，配有电阻器和专用的MRI兼容的导电橡胶电极的电缆来防止。

在功能磁共振成像实验中执行一般的实验装置和序列。既取决于研究的目的。注意：下面的协议是speciFIC到该实验中，但也可以修改，以适用于多种不同的实验条件。
使用桌上型电脑与刺激呈现软件安装，涉及扫描仪内部的语义类别的视觉呈现语言任务。通过连接到计算机和反射镜的系统的投影呈现在扫描仪内部的屏幕上这些刺激。
使用核磁共振成像兼容麦克风公开的口头回应的传输。收购期间TDCS的两个功能序列：一个五分钟的任务缺席的RS-序列和显性语义词的生成任务。注：在实验装置的其他详细信息，功能磁共振成像序列和刺激先前已详细^14,15描述和图1示出了实验。
成立TDCS的设备，程序装置提供的1 mA为20分钟的恒定直流电流以覆盖两个功能扫描的整个持续时间秒，其中包括短暂的休息和时间在扫描^14，15之间的指令。确保确定刺激电量充足;否则可能在实验过程中关闭。
确保所有必要的材料可供选择（ 图2）。

3，TDCS的设置外部和内部的扫描仪（ 见图3为示意图）

放置外过滤箱附近的射频滤波器（RF）的管子（即穿透点在MRI扫描仪，它可以用来从扫描器的外面插入电缆的射频屏蔽）。刺激器连接使用刺激电缆的外包装盒。内，外滤框不能混淆。注意： 图4A示出了扫描仪的外TDCS的设置。外包装盒都标明在图4B。
测量连接客栈所需的电缆长度呃使用电缆盒外箱（见有关电缆的扫描仪室内定位下一个点）。插入盒连接线插入射频管从扫描仪的外部并与外滤框（ 图4A）。
将内部滤盒扫描器孔（ 图5）的后端内;用胶带将其固定到位。接箱电缆与内部滤盒，避免任何电缆回路，因为这些可能诱发射频加热。注意：该电缆应与扫描仪的房间的墙壁对齐并附着有粘接带（ 图3）。

4，参加者准备参加在扫描仪和定位

与传统的TDCS的调校，检查参与者的任何预先存在的病变皮肤，移动发走，清洁皮肤用酒精清除发胶，润肤露等。改善皮肤电导电极¹²下方^，<燮> 21。
泡海绵口袋生理盐水和插入的MRI兼容的电极插入口袋（见DASILVA ²¹的参与者准备和电极定位的一般注意事项）。
在使用笔不留任何痕迹铁磁（ 例如，不要用眼线笔）受测者头部标记电极位置。确定目标位置，使用10-20脑电图系统阳极（这里：左IFG，5×7厘米^{2）14，15。}要做到这一点，找到T3-F3（一）路口和F7-C3及（b）F7-F3之间的中点。目标位置是在一条线的连接点（a）和（b）的。地方阴极（10×10 ^平方厘米）在右眶上位置（电极位置的详情，请参阅Meinzer 等 ^{14，15）。}连接电极头使用橡皮筋。
引导扫描仪后面的参与者，并与内FILT连接电极电缆呃框。同时按刺激器的右上角和左下角的按钮开启刺激器和测试阻抗。如果阻抗达到限制，那么刺激器会自动停止。如果发生这种情况，请检查电极是否与头皮接触，清洁皮肤或再次申请更多的生理盐水，如果海绵已经变得太干，然后检查是否有电缆断线。注：阻抗通常较高相对于传统的调校，因为刺激和电极之间的额外电缆和滤盒。
引导学员进入扫描仪的房间（在最后的安全检查）。放置在扫描仪上扫描架的参与者，并确保电极仍处于正确的位置。关闭头线圈。电极电缆应通过磁头线圈的左下部分或根据制造商的建议来供给（参见图6）。
移动参与者进入扫描仪孔。确保电缆做上课不捉对龙门和突破（ 见图6电缆在这个阶段可能的安全位置）。当参与者已经达到扫描仪内的最终位置时，达到对电极电缆从扫描器的后端，并将其连接到内部过滤器箱。交出紧急按钮，参与者和离开扫描室。

5，启动刺激

使用扫描仪对讲机通知参加者有关扫描会话的开始。启动结构性航向扫描（以确定参与者在扫描仪的头部位置并允许随后的功能和结构的扫描计划）采用扫描控制台。检查高频文物定位器扫描：收购期结束后航向扫描双击并按住鼠标右键并移动鼠标左，右调整对比度（西门子三重奏，例如参见图7A和图7B）。
使用扫描仪对讲机沟通，该刺激将展开的主题，他/她可能会觉得头皮上的刺痛感很短的时间。重复说明先扫描功能。在这个例子中，指示参与者保持封闭扫描（5分钟）的时间眼中，移动尽可能少，想想没什么特别的。确保投影机处于关闭状态（扫描仪孔内屏幕是黑的），以避免在RS-扫描视觉刺激。
启动刺激手动的第一功能的扫描（RS-扫描）的开始前约1-2分钟。使用电脑灯控制台加载RS-序列。（FOV）视场中双击RS-序列打开，调整位置，以覆盖整个大脑，并与前后合缝对齐左右。开始第一次扫描（使用开始扫描按钮）。
监测阻抗在整个实验。注意：如果EXPeriment是在一个双盲方式（参与者和研究者失明的刺激）进行，第二研究者可能需要监测阻抗。
而在RS-序列被运行时，加载第二功能成像序列（用于后续任务语言），并调整视场，使用扫描器控制台上，以减少在扫描之间所需要的时间。对RS-序列结束后，打开投影机，以允许试验性刺激过程中的语言任务视觉显示。双击演示软件的图标并加载语言范式。使用扫描仪对讲重复指令与任务相关功能磁共振成像模式，并开始与任务^14，15。
刺激/功能磁共振成像实验结束后，继续与计划结构的扫描。请勿断开电极电缆，直到扫描会话结束。
在实验结束时，从内滤盒移动参与者之前断开电极电缆扫描器孔。从扫描仪中删除参与者，分离头线圈，并要求参与者坐起来，并小心地取出电极。

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Representative Results

功能性磁共振成像是使用最广泛的功能性成像技术来解决的运动或认知功能相关的神经机制。最近，磁共振成像也被用来评估对皮质活性和连通TDCS的影响。然而，这些研究大多给予TDCS的扫描仪之外，并评估了刺激离线效应（即，扫描前^22，23投TDCS的）。只有少数的研究，到目前为止已经在同时fMRI的管理TDCS的，使用不同的血氧水平依赖对比^{（BOLD）14-17，24}或灌注成像序列^13，19。受试者中使用这些研究设计atDCS期间比较脑功能活动或灌注的变化与假TDCS的阐明相关TDCS的在健康和疾病¹即时行为影响的神经机制光^， 3。

例如，在最近的两项研究，Meinzer和他的同事在健康年轻的¹⁵岁以上的成年人¹⁴评估语义词生成过程中的atDCS引起的性能改善神经基础。在这两项研究中，性能比假刺激，在任务期间由错误的显著数量减少表明在给予左IFG atDCS是优越的。最值得注意的是，老年人的语义字的生成，这是已知的负面^25-28高龄影响一个任务，在此期间表现提高到一个匹配的组年轻的成年人¹⁴的水平。

任务相关功能磁共振成像显示，在atDCS相比，假改进的性能是与在IFG的腹侧部分高度本地化的任务有关的活动减少，这两项研究中（ 图8）相关联。请注意，在左背部IFG活动（an是在刺激部位附近）一个没有受到刺激。与以前的研究在健康的老年人所采用不同类型的文字检索任务（图片命名^17）线，这些活动可能减少在任务相关的大脑区域^14，15是与更高效的神经处理。此外，在老年组，atDCS减少右半球活动与年龄相关的增强和减少活动呈正相关行为的改善^14。这些发现说明了这种新的技术的潜力，以确定TDCS的动作神经基础的刺激位点，并在遥远的大脑区域。

此外，atDCS大型网络效应在使用RS-fMRI的两项研究证实。基于图的功能连接的方法揭示：（1）增强连通性的语言学年的主要枢纽之间（即增强型通信）在atDCS相比，假（举一个例子见图9，改编自Meinzer 等 ^15）干在年轻的成年人。中老年人，atDCS导致改变网络结构的部分逆转与年轻人相比^14。这些发现表明，可以使用这种技术来识别的刺激大规模的网络效应。

结合TDCS的，功能磁共振成像实验图1。概述。购入两个功能性磁共振成像扫描（静息状态的扫描其次是语义词的生成任务）。刺激（假或atDCS）开始约1-2分钟静息状态的扫描之前，并开始直到该语言任务（atDCS）的结束，或者是前减速至静止状态的扫描（SH开始我;此处不作讨论;有关详细信息，请参阅Meinzer 等 ^14,15）。刺激结束后购入额外的结构扫描。刺激的位置（IFG，红点在原理图），使用脑电图10-20系统（黄色）而厘定。请点击这里查看这个数字的放大版本。

图2。TDCS的设备。（a）所示的标准装备了TDCS的研究。这包括：（1）刺激器，（2）两个标准电极线，以及（3）橡胶的电极和海绵的口袋对电极。 （b）示出所需intrascanner TDCS的附加组分：（4）刺激器电缆，（5）电极线配有电阻，（6）外和（7）内部滤盒，（8）箱电缆连接两个滤盒，和（9）的MRI兼容的橡胶电极。请点击此处查看该图的放大版本。

TDCS的图3。总体示意图设置外和扫描仪的内部。直流激励器（1）与外过滤盒使用刺激器电缆（2）连接。箱电缆进入扫描室通过射频过滤管（3）。箱电缆应与MRI扫描室（4）的壁对齐，并连接到被定位在MRI扫描仪（5）内的内过滤器箱。电极被连接到主体和电极的头部电缆是通过头线圈的左下部分和喂养与内滤框（6）连接。请点击此处查看该图的放大版本。

图4的集合式扫描仪的内部细节。（a）表示在射频滤波器管和电缆盒被插入到左过滤器管的附近外过滤盒的放置。（二）特写外包装盒，是不是MRI兼容的。请点击这里查看这个数字的放大版本。

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图5。内过滤盒的放置。该图示出内过滤器箱的扫描器（后端）的内部的位置。过滤箱被放置在该实验的刺激是使用投影机呈现在屏幕的下方。请点击此处查看该图的放大版本。

图6。电极线的放置。此图显示了扫描仪的闭头线圈。（一）拍摄对象的头部被定位在头部线圈与连接电极头部用橡胶电极。电极电缆出口头部线圈在左下侧。移动主体插入扫描仪孔时，（B）电极被放置在头线圈的顶部。请点击此处查看该图的放大版本。

图7说明了诱导电缆断开高频失真。（A）神器是不可见的使用MRIcron标准对比度（www.mrico.com）航向扫描的轴向切片。调整对比度设置（白色箭头，对比度设置0-20）后（B）神器变得可见。同样，高频伪影是不可见在功能成像序列使用默认对比度（C），而成为调节对比度（D）后可见。请点击此处查看该图的放大版本。

图8：在任务相关的功能活性atDCS的影响，说明了任务相关的活动在额下回（vIFG）的腹侧部分语义词的生成任务期间在年轻和老年人（atDCS <假显著减少，均P <0.05）。无显著差异，在左背部IFG（dIFG）两组。 P租赁点击此处查看这个数字的放大版本。

图9：在静息状态功能连接atDCS的影响。说明显示增强（红色）或在atDCS减少（蓝色）连接相比，静息状态扫描（矢状切片X = -52/52，在冠状假刺激区域切片Z = 5）。 L =左脑，R =右半球。请点击此处查看该图的放大版本。

图10
图10。;验证目标位置（A）该图的左侧显示在头皮上（使用MRIcron根据T1加权图像表面渲染）电极的位置。 （B）的右侧的图像示出了在同一个对象的脑的中心电极的突起。形象定位是在两个图像相同。请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

TDCS的同时用功能磁共振成像的联合应用表现出的潜力为阐明的整个大脑的刺激与高空间分辨率^13-19的直接影响的神经基础。在未来，这样的研究可以通过组合脑电图TDCS的研究进行补充，以利用后者的技术的优越的时间分辨率。此外，intrascanner刺激使头皮上的验证电极的正确定位的（例如使用T-加权图像，参见图10）。这可以帮助减少在实验研究中不必要的差异是由于不正确的电极位置。

安全intrascanner刺激已经成立，并与适当的设置，没有热量引起的电极（如荷兰等 ^17，看到这个研究的补充材料）下方。刺激只是最低限度地影响图像质量。例如，TDCS的可能诱发略微降低信号噪声比和磁化率的工件或B0场失真的电极^17，18的下面，与后者仅限于头皮（综述见Saiote 等人 ^23）。然而，还有头皮文物，由安塔尔等人 ²⁹验尸研究发现过程中的一个心室手指敲击任务TDCS的诱导文物与生理BOLD效应可比幅度。因此，研究人员建议，进行适当的图像的质量保证程序^23。此外，设备故障（如断连接或电极电缆）可能引起的BOLD序列高频工件（ 见图7C和7D）。因此，应特别注意处理设备和预扫描质量保证程序时服用。更换破损的电缆可以防止这种artifacTS。

在当前的协议，TDCS的结合使用具有两个功能磁共振成像序列进行了说明。为了避免在后续的功能磁共振成像序列与任务相关的功能磁共振成像效果之间可能的相互作用，特别是RS-fMRI的³⁰时，RS-fMRI的前语义词的生成任务被收购。此外，附加的结构序列（例如 T1，T2和扩散加权扫描）的功能序列后获得，因为盐水浸泡的海绵电极可以干出随着时间的推移和刺激如果intrascanner TDCS的施用在一个较长的末端可能会受到影响扫描会话。

除了在健康受试者实验的设置使用，这种新技术的未来应用是可以想象的患者人群。例如，TDCS的与语言治疗给药连续几天的组合已显示出提高脑卒中后琅治疗结果uage障碍（失语症^{）31，32。}然而，在刺激作用是显著横跨患者群体，个体患者的高达30％的人没有受益于刺激^32。 TDCS的功能磁共振的结合使用可能会在未来允许识别的响应对某个给定类型的刺激，并帮助确定患者不出现这些反应的患者。这些研究对于提升结合行为干预与TDCS的未来临床试验的有效性的先决条件。其他应用可能包括在老年痴呆症和其前体或其他神经系统疾病或精神疾病³有益TDCS的效果的神经基础的评估。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgments

这项工作是由德意志研究联合会资助项目（AF：379-8/1; 379-10/1，379-11/1和DFG-EXC-257，UL：423/1-1），该Bundesministerium皮毛教化UND Forschung（自动对焦：FKZ0315673A和01GY1144;自动对焦和MM：01EO0801），德意志学术交流中心（AF：DAAD-54391829），GO8澳大利亚 - 德国联合研究合作计划（DC：2011001430），在Else-克朗费森尤斯基金会（自动对焦：2009-141; RL：2011-119）和澳大利亚研究理事会（DC：ARC FT100100976，MM：ARC FT120100608）。我们感谢凯特Riggall的编辑协助。

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