Summary
Transkranial likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv hjernestimulering teknikk. Det har med hell vært brukt i grunnforskning og kliniske miljøer for å modulere hjerne-funksjon hos mennesker. Denne artikkelen beskriver gjennomføringen av tDCS og samtidig funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), for å undersøke det nevrale grunnlaget for tDCS effekter.
Abstract
Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv hjernestimulasjon teknikk som bruker svake elektriske strømmer som administreres til hodebunnen for å manipulere kortikale eksitabilitet og følgelig oppførsel og hjernefunksjon. I det siste tiåret, har mange studier adressert kortsiktige og langsiktige effekter av tDCS på ulike mål på atferds ytelse under motoriske og kognitive oppgaver, både hos friske individer og i en rekke pasientgrupper forskjellige. Så langt har imidlertid lite kjent om de nevrale grunnlaget for tDCS-handling hos mennesker med hensyn til store hjernenettverk. Dette problemet kan løses ved å kombinere tDCS med funksjonelle hjerneavbildningsteknikker som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) eller elektroencefalografi (EEG).
Spesielt er fMRI den mest brukte hjernen avbildningsteknikk for å undersøke de nevrale mekanismene bak kognisjon og motorikk. Applicatipålegg tDCS under fMRI tillater analyse av de nevrale mekanismene bak atferds tDCS effekter med høy romlig oppløsning over hele hjernen. Nyere studier ved hjelp av denne teknikken identifisert stimulering indusert endringer i oppgaverelaterte funksjonell hjerneaktivitet ved stimulering nettstedet og også i mer fjerntliggende områder av hjernen, som ble assosiert med atferds forbedring. I tillegg tDCS administreres under hvile-state fMRI tillatt identifisering av omfattende endringer i hele hjernen funksjonell tilkobling.
Fremtidige studier med dette kombinert protokollen skal gi ny innsikt i mekanismene for tDCS tiltak i helse og sykdom, og nye muligheter for mer målrettet bruk av tDCS i forskning og kliniske miljøer. Den nåværende manuskript beskriver denne romanen teknikken i en steg-for-trinn-mote, med fokus på tekniske aspekter ved tDCS administreres under fMRI.
Introduction
Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv metode for hjernestimulasjon hvori kortikal funksjon er modulert ved hjelp av en svak elektrisk strøm (vanligvis 1-2 mA) projisert mellom to avstands-festet elektroder. Fysiologisk, induserer tDCS en polaritet avhengig forskyvning i neuronal hvile-membranpotensialet (RMP) i den targetiserte kortikal regionen gjennom manipulering av natrium-og kalsiumkanaler, og dermed fremme endringer i kortikal eksitabilitet 1.. Konkret har Anode stimulering (atDCS) er vist å øke cortical aktivitet via depolarisering av nevronale RMP mens katodisk stimulering (ctDCS) reduserer kortikal eksitabilitet to. Sammenlignet med andre typer hjernestimulering (f.eks transkranial magnetisk stimulering) sikkerhet har blitt godt etablert og dermed langt ingen alvorlige bivirkninger er rapportert selv i sårbare bestander tre, fire. Også, i hvert fall for lower stimulerings intensiteter (opp til 1 mA), en effektiv placebo ("humbug") stimulering tilstand 5, slik at effektiv blinding av deltakere og etterforskere til stimuleringsforhold, rende tDCS et attraktivt verktøy i eksperimentelle og kliniske forsknings innstillinger.
Tallrike undersøkelser hittil har vist at disse forandringer i kortikal eksitabilitet kan resultere i adferds modulasjoner. I motorsystemet, har konsekvent polaritet avhengige effekter er rapportert ett, seks for både atDCS og ctDCS. I kognitive studier, de fleste studier som ansatt atDCS å forbedre kognitive funksjoner rapportert gunstige effekter på ytelse 7, mens ctDCS ofte ikke resultere i nedsatt kognitiv behandling. Sistnevnte kan forklares med større redundans av nevrale prosesseringsressurser underliggende kognisjon seks. Flertallet av tDCS studier har ansatt Cross-Over design å studerede umiddelbare effektene av stimulering, som outlast oppsigelse av gjeldende bare for korte perioder av gangen en. Imidlertid har det vært antydet at gjentatt stimulering effekter på proteinsyntesen, dvs. den nevrale mekanismen underliggende kunnskapsbygging åtte. Faktisk kan motor eller kognitiv trening suksess bli styrket når den kombineres med gjentatte tDCS økter og langsiktig stabilitet av disse forbedringene har blitt rapportert å vare opptil flere måneder hos friske voksne 8-10. Slike funn har også skapt en interesse i bruken av tDCS i kliniske sammenhenger og foreløpige data tyder på at det kan også være nyttig som en primær eller medhjelper behandling tilnærming i ulike kliniske populasjoner tre. Men mens et relativt stort antall studier adressert nevrofysiologiske effekter av tDCS i motorsystemet, er lite kjent om de underliggende nevrale mekanismene for tDCS effekter på kognitive hjernefunksjoner i helse og sykdom.En bedre forståelse av modusen for handling av tDCS er en nødvendig forutsetning for mer målrettet bruk av tDCS i forskning og kliniske miljøer.
Dette problemet kan løses ved å kombinere tDCS med funksjonelle hjerneavbildningsteknikker som elektroencefalografi (EEG) eller funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). Flertallet av studier som undersøker de nevrale mekanismene bak kognisjon og motorikk har valgt å ansette fMRI 11. Spesielt er fMRI den mest brukte hjernen avbildningsteknikk for å undersøke de nevrale mekanismene bak kognisjon og motorikk 11. Dessuten, når den kombineres med samtidig anvendelse av tDCS, tillater MR-undersøkelse av de neurale mekanismer som ligger til grunn atferds tDCS effekter med høyere romlig oppløsning i hele hjernen sammenlignet med EEG (for senere beskrivelser av kombin tDCS-EEG se Schestatsky et al. 12). Den nåværende manuskript beskriver the kombinert bruk av tDCS under samtidige fMRI. Denne romanen teknikken har med hell blitt brukt til å studere nevrale mekanismene bak tDCS-indusert modulasjoner av motoriske og kognitive funksjoner 13-19. I fremtiden vil dette kombinert protokollen gi ny innsikt i mekanismene for tDCS tiltak i helse og sykdom. Forstå effekten av tDCS på store nevrale nettverk som vurderes med denne teknikken kan legge grunnlag for mer målrettet bruk av tDCS i forskning og kliniske miljøer.
Manuskriptet vil fokusere på forskjellene mellom atferds tDCS eksperimenter og kombinert bruk av tDCS under samtidige fMRI, med en spesiell vekt på krav til maskinvare, implementering av teknikken, og sikkerhetsmessige hensyn. Som et eksempel, en enkelt sesjon tDCS administreres til venstre underlegne frontal gyrus (IFG) under oppgave fraværende hviletilstand (RS) fMRI og under et språk oppgave 14, 15 will bli beskrevet, selv om mange andre anvendelser er mulige 16, 19. Detaljer av eksperimentell design, deltaker egenskaper og fMRI data analyseprosedyrer er beskrevet i detalj i de originale publikasjoner 14,15 og er utenfor rammen av dagens manuskriptet. Videre, i disse studiene, ytterligere fMRI skanner som involverte humbug tDCS ble kjøpt opp og sammenlignet resultatene av atDCS økt (se "Representative resultater" for detaljer). Denne sesjon var identisk med den som er beskrevet i den foreliggende manuskript, med unntagelse av at stimulering ble avsluttet før start av skanningen sesjon (se figur 1 for detaljer). Den nåværende prosedyren har blitt implementert på en 3-Tesla Siemens Trio MR skanner på Berlin Centre for Advanced Imaging (Charité Universitetet Medicine, Berlin, Tyskland), og skal i prinsippet være gjeldende for andre skannere samt 13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
En. Kontra og Spesielle hensyn
- Grundig skjermen deltakere for MR kontraindikasjoner (f.eks pacemakere, klaustrofobi, etc.) og inkluderer om nødvendig. Acquire standard spørreskjemaer ved kliniske eller forskningsinstitusjoner som opererer MRI-skannere. Følg alltid vanlige sikkerhetsprosedyrer når inn i skanneren rom.
- Grundig skjermen deltakere for kontraindikasjoner for tDCS. Disse kan overlappe med kontraindikasjoner for MR. Se Villamar et al. 20 for et eksempel.
- Ta kontakt med driftsanlegg om lokal sikkerhet og etikk forskrifter og innhente nødvendige tillatelser. Test for potensielle bildeartifakter forårsaket av stimulering strøm eller tDCS utstyr før oppstart av den faktiske forsøket (for eksempel ved å teste virkningen av tDCS på signal-til-støy-forhold 17, 18).
2. FmRI Setup, eksperimentell design, og Materialer
Merk: Bruken av tDCS inne i en MR-skanner krever spesialutstyr. Spesielt spesifikk MRI-kompatible kabler, filterbokser, elektroder og stropper til å feste elektrodene til motivene hode er nødvendig. Figur 2 viser (A) standard tDCS utstyr og (b) komponentene for bruk med MRI. De sistnevnte komponenter er nødvendig for å hindre muligheten for oppvarming under elektrodene på grunn av radiofrekvens-pulser som sendes ut i løpet av MRI. I tillegg kan det høyfrekvente bildebehandling gjenstander bli indusert ved tDCS enheten. Begge kan forebygges ved hjelp av filterbokser plassert utsiden og innsiden av skanneren rommet, kabler utstyrt med motstander og dedikerte MR-kompatible ledende gummi elektroder.
- Utføre generell eksperimentelle oppsett og sekvenser for fMRI eksperimentet. Begge er avhengige av målene med studien. Merk: protokollen nedenfor er spesific i dette eksperimentet, men kan endres til å gjelde for en rekke forskjellige eksperimentelle situasjoner.
- Bruk en stasjonær datamaskin med stimulans presentasjon programvare installert for et språk oppgave som innebærer visuell presentasjon av semantiske kategorier inne i skanneren. Tilstede disse stimuli på en skjerm på innsiden av skanneren via en prosjektør som er koblet til datamaskinen, og et system av speil.
- Bruk en MR-kompatibel mikrofon for overføring av åpenlys verbale responser. Erverve to funksjonelle sekvenser under tDCS: en fem-minutters oppgave fraværende RS-sekvens og en utilslørt semantisk ord generasjons oppgave. MERK: Ytterligere detaljer av eksperimentelle oppsettet, har fMRI sekvenser og stimuli tidligere er blitt beskrevet i detalj, 14, 15 og figur 1 viser eksperimentet.
- Slik setter du opp tDCS enheten programmeres enheten til å levere en konstant likestrøm på en mA i 20 min for å dekke hele varigheten av de to funksjonell skannings, inkludert korte pauser og tid for instruksjoner i mellom skanninger 14, 15. Sørg for at stimulatoren er tilstrekkelig ladet; ellers kan det slås av i løpet av eksperimentet.
- Kontroller at alle nødvendige materialer er tilgjengelig (figur 2).
Tre. TDCS Setup utsiden og innsiden av skanneren (Se figur 3 for en skjematisk oversikt)
- Plasser den ytre filter-boksen nær det radiofrekvensfilter (RF)-røret (dvs. inntrengning punktet i radiofrekvensskjerm til MR-skanner som kan brukes til å sette inn ledninger fra utsiden av skanneren). Koble stimulator med den ytre boksen med stimulator kabel. Indre og ytre filterboksen må ikke blandes opp. Merk: Figur 4A illustrerer tDCS satt opp utenfor skanneren. Den ytre boksen er tydelig merket i figur 4B.
- Mål kabellengde som kreves for å koble inneh med ytre boksen med boks-kabel (se neste punkt vedrørende plassering av kabel i skanneren rom). Sett boksen kabelen inn RF rør fra utsiden av skanneren og kontakt med ytre filterboks (Figur 4A).
- Plasser indre filterboksen inne i bakre ende av skanneren hullet (figur 5); bruke teip for å holde den på plass. Koble boks kabel med indre filter boksen og unngå løkker i noen kabler, da disse kan indusere RF oppvarming. Merk: Kabelen skal være på linje med veggene i skanneren rom og festet med tape (figur 3).
4. Deltaker Utarbeidelse og posisjonering av Deltaker i Scanner
- Som med konvensjonelle tDCS set-ups, inspisere huden av deltakeren for eventuelle pre-eksisterende lesjoner, flytte håret borte, ren hud med alkohol for å fjerne hårspray, body lotion, etc. å forbedre hudens ledningsevne under elektrodene 12, <sup> 21.
- Suge svamp lommer med saltvannsoppløsning og sett MR-kompatible elektroder inn i lommer (se DaSilva 21 for generelle betraktninger av deltaker forberedelse og elektrode posisjonering).
- Marker elektrodeplasseringer på fagenes hodene med en penn som etterlater ingen ferromagnetisk spor (f.eks ikke bruke eyeliner). Bestem målposisjon for anode ved hjelp av 10 til 20 EEG-system (her: venstre IFG, 5 x 7 cm 2) 14, 15. For å gjøre dette, finn (a) krysset av T3-F3 og F7-C3 og (b) midtpunktet mellom F7-F3. Målposisjonen er i sentrum av en linje som forbinder punktene (a) og (b). Place katode (10 x 10 cm 2) over høyre supraorbital posisjon (for detaljer om plassering av elektrodene se Meinzer et al. 14, 15). Fest elektroder til hodet ved hjelp av gummistrikk.
- Veilede deltakeren bak skanneren og koble elektrodekabel med indre filteh boksen. Slå på stimulator og test impedans ved å trykke på øvre høyre og nedre venstre knapp på stimulator samtidig. Hvis impedansen grensene er nådd, deretter stimulatoren vil stoppe automatisk. Hvis dette skjer, sjekk om elektrodene har kontakt med hodebunnen, ren hud på nytt eller søke mer saltvannsoppløsning hvis svamper har blitt for tørr, og deretter sjekke om noen kabelen er ødelagt. Merk: Impedans er vanligvis høyere i forhold til konvensjonelle set-ups på grunn av ekstra kabler og filterbokser mellom stimulator og elektroder.
- Veilede deltaker inn i skanneren rom (etter en siste sikkerhetssjekk). Plasser deltaker på skanner gantry og sørge for at elektrodene er fortsatt i riktig posisjon. Lukk hodet spiral. Elektrodekabelen skal fôres gjennom nedre venstre del av hodet spiral (se figur 6), eller i henhold til produsentens anbefalinger.
- Flytt deltaker inn i skanneren boringen. Sørg for at kabelen gjøres ikke henger seg opp i portalkraner og bryte (se figur 6 for en mulig sikker posisjon av kabelen i løpet av dette stadium). Når deltakeren har nådd den endelige posisjon inne i skanneren, nå for elektrodekabelen fra den bakre enden av skanneren og koble den til den indre filter boksen. Overlevere nødknapp til deltaker og la skanneren rommet.
5. Starte Stimulering
- Bruk skanner intercom å informere deltakeren om start av skanning sesjon. Start strukturelle localizer scan (for å fastslå hode posisjon som deltaker i skanner og gir mulighet for planlegging av påfølgende funksjonelle og strukturelle skanninger) ved hjelp av scanning-konsollen. Inspiser localizer scan for høyfrekvente artefakter: Dobbeltklikk på localizer scan etter utløpet av oppkjøpet perioden og justere kontrast (for Siemens Trio ved å holde høyre museknapp og flytte musen til venstre og høyre, for eksempler se 7Aog 7B).
- Bruk skanner intercom å kommunisere til faget at stimulering vil starte og at han / hun kan føle en prikkende følelse i hodebunnen for en kort tid. Gjenta instruksjonene for første funksjonell skanning. I dette eksempelet, instruere deltakeren å holde øynene lukket for varigheten av skanningen (5 min), flytte så lite som mulig og tenke på noe spesielt. Sørg for at projektoren er slått av (skjermen inne i skanneren boringen er svart) for å unngå visuell stimulering under RS-scan.
- Begynn stimulering manuelt ca 1-2 min før starten av den første funksjonelle scan (RS-scan). Bruk skanner konsollen å laste RS-sekvens. Dobbelklikk på RS-sekvens for å åpne felt-of-view (FOV), juster posisjon til å dekke hele hjernen og justere lag med anterior-posterior commissure. Start første scan (med START skanneknappen).
- Overvåk impedans i hele eksperimentet. Merk: Hvis experiment er gjennomført i en dobbel-blind-modus (deltaker og forsker blir blindet for stimulering), kan en andre forsker være nødvendig å overvåke impedans.
- Mens RS-sekvensen er i gang, laste andre funksjonelle avbildningssekvensen (for påfølgende språk oppgave) og justere FOV, ved hjelp av skanneren konsoll som ovenfor, for å redusere tiden som kreves mellom skanninger. Etter utløpet av RS-sekvensen, slå på projektoren for visuell visning av eksperimentelle stimuli under språk oppgave. Dobbelklikk på presentasjon programvare ikonet og last språk paradigme. Bruk skanner intercom å gjenta instruksjoner for oppgaven relaterte fMRI paradigmet og starte med oppgave 14, 15.
- Etter slutten av stimulering / fMRI eksperiment, fortsette med planlagte strukturelle skanninger. Ikke koble elektrodekablene til slutten av skanneøkten.
- På slutten av forsøket, koble elektrodekabelen fra indre filter boksen før du flytter deltaker utav skanneren boringen. Fjern deltaker fra skanneren, løsner hodet spiral og be deltakeren til å sitte opp og fjerne elektrodene forsiktig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Funksjonell MR er den mest brukte funksjonelle avbildningsteknikk for å løse de underliggende nevrale mekanismer av motoriske eller kognitive funksjoner. Mer nylig har fMRI også blitt brukt til å evaluere tDCS effekter på kortikal aktivitet og tilkoblingsmuligheter. Imidlertid er de fleste av disse undersøkelsene administreres tDCS utsiden av skanneren og evaluert frakoblede virkningene av stimulering (dvs. administreres tDCS før skanningen 22, 23). Bare noen få studier så langt har gitt tDCS under samtidige fMRI, ved hjelp av ulike blodoksygenenivåavhengig kontrast (BOLD) 14-17, 24 eller perfusjonsbilleddannende sekvenser 13, 19. Disse studiene brukes i fagene design å sammenligne funksjonell hjerneaktivitet eller perfusjon endringer i løpet atDCS vs humbug tDCS å belyse de nevrale mekanismene bak umiddelbare atferdsmessige effekter av tDCS i helse og sykdom 1, 3.
For eksempel, i to nyere studier, Meinzer og kolleger vurdert nevrale grunnlaget for atDCS-induserte ytelsesforbedringer i løpet av semantisk ord-generasjonen hos friske yngre 15 og eldre voksne 14. I begge studiene, ytelse var overlegen under atDCS administreres til venstre IFG sammenlignet med humbug stimulering, angitt med et betydelig redusert antall feil under oppgaven. Mest spesielt, ytelse av eldre voksne under semantisk ord-generasjonen, en oppgave som er kjent for å bli negativt påvirket av høy alder 25-28, ble forbedret opp til nivået av en matchet gruppe av yngre voksne 14.
Oppgaverelatert fMRI avslørte at forbedret ytelse under atDCS sammenlignet humbug var assosiert med svært lokalisert oppgave-relatert aktivitet reduksjon i ventrale delen av IFG i begge studiene (Figur 8). Vær oppmerksom på aktiviteten i venstre rygg IFG (en Areen i nærheten av området stimulering) ble ikke påvirket av stimuleringen. I tråd med en tidligere studie hos friske eldre voksne som benyttet en annen type ord-henting oppgave (bilde navngi 17), kan disse aktivitetsreduksjoner være knyttet til mer effektiv nevral prosessering i oppgave relevant hjerneregioner 14, 15. Videre, i den eldre gruppen, atDCS redusert aldersrelatert økning av høyre halvkule aktivitet og redusert aktivitet var korrelert med atferds forbedring 14. Disse funnene illustrerer potensialet i denne romanen teknikk for å identifisere nevrale grunnlaget for tDCS-aksjon på stimulering nettstedet og også i fjerne områder av hjernen.
I tillegg ble store nettverkseffekter av atDCS bekreftet i begge studier med RS-fMRI. En graf-basert funksjonell tilkobling tilnærming avslørt: (1) forbedrede tilkoblingsmuligheter (dvs. forbedret kommunikasjon) mellom knutepunkter av språket systammer hos yngre voksne under atDCS sammenlignet med sham (for eksempel se figur 9, tilpasset fra Meinzer et al. 15). I eldre voksne, atDCS resulterte i delvis reversering av endret nettverksstruktur sammenlignet med yngre voksne 14. Disse funn viser at større nettverk virkninger av stimuleringen kan bli identifisert ved hjelp av denne teknikk.
Figur 1. Oversikt over kombinert tDCS-fMRI eksperiment. To funksjonelle fMRI skanner ble kjøpt (en hviletilstand skanning etterfulgt av en semantisk ord-generasjonen oppgave). Stimulering (sham eller atDCS) startet ca 1-2 min før hviletilstand skanning og påbegynnes før slutten av oppgaven språk (atDCS), eller ble trappet ned før starten av hviletilstand scan (sher; ikke beskrevet her; for mer informasjon se Meinzer et al. 14,15). Ytterligere strukturelle skanner ble ervervet etter utløpet av stimulering. Stimulering plassering (IFG, rød prikk i skjematisk) ble bestemt ved hjelp av EEG 10-20 system (gul). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. TDCS utstyr. (A) viser standard utstyr for en tDCS studien. Dette innbefatter (1) en stimulator, (2) to standard elektrodeledninger, og (3) av gummi elektroder og svamp lommer for elektrodene. (B) Illustrerer ytterligere komponenter som er nødvendige for intrascanner tDCS: (4) stimulator kabel, (5) elektrodekabelutstyrt med motstander, (6) ytre og (7) indre filterbokser, (8) box-kabel for å koble de to filterbokser, og (9) MR-kompatible gummielektroder. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Skjematisk oversikt over tDCS oppsett utsiden og innsiden av skanneren. Likestrøm stimulator (1) er forbundet med utvendig filterboksen med stimulator kabel (2). Box kabelen går inn scanner rom gjennom radiofrekvens-filterrøret (3). Box kabel bør være på linje med veggen av MR-undersøkelse (4) og koblet til indre filter boksen som er plassert inne i MR-skanner (5). Elektroder er festet til hodet av faget og elektroden kabelen mates gjennom nedre venstre del av hodet polen og koblet med den indre filterboksen (6). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 Detaljer om oppsett innsiden av skanneren.. (A) viser plassering av ytre filter boks i nærheten av de radiofrekvensfilter rør og boks-kabelen som er satt inn i venstre filter tube. (B) Close-up av ytre boksen som ikke er MR-kompatible. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Plassering av det indre filterboksen. Denne figuren illustrerer posisjonen til indre filterboks på innsiden av skanneren (bakre ende). Filterboks er plassert under en skjerm som eksperimentelle stimuli presenteres ved hjelp av en projektor. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Plassering av elektrodekabelen. Denne figuren viser den lukkede hodet spiral av skanneren. (A) Et forsøkspersonens hode er anbragt i hodet spiral med elektroder festettil hodet med gummi elektroder. Elektrodekabelutganger hodet batteri på nedre venstre side. (B) elektrode er plassert på toppen av hodet spiral når du flytter faget inn i skanneren boringen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Illustrerer høyfrekvente gjenstander forårsaket av en ødelagt kabel. (A) Artifact er ikke synlig på aksial bit av localizer skanning ved hjelp av standard kontrast i MRIcron (www.mrico.com). (B) Artifact blir synlig etter å justere innstillingene for kontrast (hvite piler, kontrastinnstillinger 0-20). Tilsvarende er ikke synlig høyfrekvente artefakti funksjonell bildesekvens ved bruk av standard kontrast (C), men blir synlig etter justering kontrast (D). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Impact of atDCS på oppgaverettet funksjonell aktivitet. Illustrerer betydelige reduksjoner av oppgave-relatert aktivitet i løpet av semantisk ord-generasjonen oppgave i ventrale delen av mindreverdig frontal gyrus (vIFG) i yngre og eldre voksne (atDCS <humbug, både p <0,05). Ingen signifikante forskjeller ble funnet i den venstre rygg IFG (dIFG) i begge gruppene. Please klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. Impact of atDCS på hviletilstand funksjonell tilkobling. Illustrerer regioner som viste forbedret (rød) eller redusert (blå) tilkobling under atDCS sammenlignet med humbug stimulering under hviletilstand scan (sagittal skiver x = -52/52, koronal skive z = 5). L = Venstre halvkule, R = Høyre halvkule. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10.,. Verifisering av målposisjon (A) Den venstre side av figuren viser plasseringen av elektroden på hodebunnen (Surface gjengivelse basert på T1-vektede bilde ved hjelp MRIcron). (B) Den høyre side av bildet illustrerer projeksjon av elektroden senteret i hjernen av det samme motivet. Orientering av bildet er identisk i begge bildene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den kombinerte bruk av tDCS med samtidig fMRI har vist potensial for å belyse de nevrale grunnlaget for den umiddelbare effekten av stimulering over hele hjernen med høy romlig oppløsning 13-19. I fremtiden kan slike studier suppleres med kombinerte EEG-tDCS studier, for å utnytte den overlegne temporale oppløsning av sistnevnte teknikken. I tillegg gir intrascanner stimulering verifisering av korrekt plassering av elektrodene i hodebunnen (for eksempel ved hjelp av T-vektede bilder, se figur 10). Dette kan bidra til å redusere uønsket variasjon i eksperimentelle studier på grunn av feil plassering av elektrodene.
Sikkerhet for intrascanner stimulering er etablert og med riktig oppsett, er ingen varme indusert under elektrodene (f.eks Holland et al. 17, se supplerende materiale i denne studien). Stimulering bare minimalt påvirker bildekvalitet. For eksempel kan tDCS indusere noe redusert signal-til-støy-forhold og resistens gjenstander eller B0-feltet forvrengninger under elektrodene 17, 18, med sistnevnte begrenset til hodebunnen (for gjennomgang se Saiote et al. 23). Men, i tillegg til hodebunnen gjenstander, en post-mortem undersøkelse av Antal et al. 29 funnet tDCS-induserte artefakter med sammenlign omfanget av fysiologiske BOLD effekter under en finger tappe oppgave i ventriklene. Derfor er forskerne rådet til å gjennomføre nødvendige bildekvalitetssikringsprosedyrer 23. Videre kan utstyr funksjonsfeil (f.eks brutt tilkobling eller elektrodekablene) indusere høyfrekvente artefakter i BOLD sekvenser (se figur 7C og 7D). Derfor bør det tas spesielt hensyn ved håndtering av utstyr og prøveskanning kvalitetssikringsprosedyrer. Utskifting av ødelagte kabler kan hindre slik artifacts.
I dagens protokoll, ble kombinert bruk av tDCS med to fMRI sekvenser beskrevet. For å unngå mulige interaksjoner mellom oppgaverelaterte fMRI effekter på påfølgende fMRI sekvenser, og særlig RS-fMRI 30, RS-fMRI ble ervervet før den semantiske ord generasjons oppgave. Dessuten ble ytterligere strukturelle sekvenser (f.eks T1, T2, og diffusjon vektet MR) ervervet etter de funksjonelle sekvenser fordi saltvann fuktet svamp elektroder kan tørke ut over tid, og stimuleringen kan bli ødelagt dersom intrascanner tDCS administreres ved slutten av en lengre skanning økten.
Bortsett fra bruk i eksperimentelle innstillinger hos friske deltakere, fremtidige anvendelser av denne romanen teknikken er tenkelig i pasientpopulasjoner. For eksempel, har kombinasjonen av tDCS med språkbehandling gitt over flere påfølgende dager vist seg å forbedre behandlingsresultat i post-takts language forstyrrelser (afasi) 31, 32. Men mens stimuleringseffekter var betydelig på tvers av grupper av pasienter, opp til 30% av den enkelte pasient ikke dra nytte av stimulering 32. Kombinert bruk av tDCS med fMRI kan i fremtiden tillate identifisering av pasienter som reagerer positivt på en gitt type stimulering og bidra til å identifisere pasienter som ikke viser disse effektene. Slike studier er en forutsetning for å øke effektiviteten av fremtidige kliniske studier som kombinerer atferds intervensjon med tDCS. Andre programmer kan omfatte vurdering av de nevrale grunnlaget for gunstige tDCS-effekter i demens og dens forløpere eller annen nevrologisk eller psykiatrisk sykdom tre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet med tilskudd fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 og av DFG-Eks-257, UL: 423/1-1), für den Bundesministerium Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A og 01GY1144, AF og MM: 01EO0801), den tyske Academic Exchange Service (AF: DAAD-54391829), Go8 Australia - Tyskland Joint Research Cooperation Scheme (DC: 2011001430), Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141, RL: 2011-119) og den australske Forskningsrådet (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Vi takker Kate Riggall for redaksjonell bistand.
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).
