Transcraniële Direct Current Stimulatie en Gelijktijdige Functional Magnetic Resonance Imaging

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.

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. Z…

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,…

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 hoofd…

Materials

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 (7×5 and 10×10 ccm)	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