Summary
Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva. Se ha utilizado con éxito en la investigación básica y entornos clínicos para modular la función cerebral en los seres humanos. En este artículo se describe la implementación del tDCS y la resonancia magnética funcional simultánea (fMRI), para investigar las bases neuronales de los efectos tDCS.
Abstract
Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva que utiliza corrientes eléctricas débiles administrados al cuero cabelludo para manipular la excitabilidad cortical y, en consecuencia, el comportamiento y la función cerebral. En la última década, numerosos estudios se han ocupado de los efectos a corto plazo ya largo plazo de la tDCS sobre diferentes medidas de rendimiento de comportamiento durante las tareas motoras y cognitivas, tanto en individuos sanos y en un número de diferentes poblaciones de pacientes. Hasta ahora, sin embargo, se sabe poco sobre las bases neurales de la tDCS-acción en el ser humano con respecto a las redes del cerebro a gran escala. Este problema puede abordarse mediante la combinación de tDCS con técnicas de imágenes cerebrales funcionales como las imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) o la electroencefalografía (EEG).
En particular, la fMRI es la técnica de imagen cerebral más ampliamente utilizado para investigar los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras. Applicatiel de tDCS durante fMRI permite el análisis de los mecanismos neurales que subyacen efectos tDCS comportamiento con alta resolución espacial a través de todo el cerebro. Estudios recientes utilizando esta técnica identifican los cambios inducidos por la estimulación de la actividad funcional del cerebro relacionada con las tareas en el lugar de estimulación y también en las regiones del cerebro más distantes, lo que se asoció con una mejoría del comportamiento. Además, tDCS administrados durante el estado de reposo fMRI permitieron la identificación de cambios generalizados en la conectividad funcional de todo el cerebro.
Futuros estudios que utilizan este protocolo combinado deben producir nuevos conocimientos sobre los mecanismos de acción tDCS en la salud y la enfermedad y nuevas opciones para la aplicación más selectiva de tDCS en la investigación y el ámbito clínico. El presente manuscrito describe esta nueva técnica de una manera paso a paso, con un enfoque en los aspectos técnicos de tDCS administrados durante fMRI.
Introduction
Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es un método no invasivo de la estimulación cerebral cortical en el que el funcionamiento es modulada por medio de una corriente eléctrica débil (típicamente 1-2 mA) proyectada entre dos electrodos del cuero cabelludo-fijada. Fisiológicamente, TDCS induce un cambio de polaridad dependiente en neuronal potencial de membrana en reposo (RMP) dentro de la región cortical objetivo a través de la manipulación de los canales de sodio y de calcio, promoviendo de este modo cambios en la excitabilidad cortical 1. Específicamente, la estimulación anódica (atDCS) se ha demostrado que aumenta la actividad cortical a través de la despolarización neuronal de RMP, mientras que la estimulación catódica (ctDCS) reduce la excitabilidad cortical 2. En comparación con otros tipos de estimulación cerebral (por ejemplo, la estimulación magnética transcraneal) de seguridad ha sido bien establecido y hasta el momento no tiene efectos secundarios graves se han reportado incluso en poblaciones vulnerables 3, 4. Además, al menos por lower intensidades de estimulación (hasta 1 mA), un placebo eficaz ("sham") la condición de estimulación existe 5, permitiendo cegamiento eficaz de los participantes y los investigadores a las condiciones de estimulación, lo que hace tDCS una herramienta atractiva en entornos clínicos y experimentales de investigación.
Numerosos estudios hasta la fecha han demostrado que estos cambios en la excitabilidad cortical puede dar lugar a modulaciones de comportamiento. En el sistema de motor, los efectos dependientes de polaridad consistentes se han reportado 1, 6 para ambos atDCS y ctDCS. En los estudios cognitivos, la mayoría de los estudios que emplearon atDCS para mejorar las funciones cognitivas informó de efectos beneficiosos sobre el rendimiento 7, mientras que ctDCS con frecuencia no dieron como resultado el procesamiento cognitivo deterioro. El último puede ser explicado por la mayor redundancia de recursos de procesamiento neurales que subyacen la cognición 6. La mayoría de los estudios han empleado tDCS diseños cross-over para estudiarlos efectos inmediatos de la estimulación, que duran más que la terminación de la corriente sólo por períodos cortos de tiempo 1. Sin embargo, se ha sugerido que repite impactos de estimulación sobre la síntesis de proteínas, es decir, el mecanismo de adquisición de la habilidad subyacente neuronal 8. De hecho, el motor o el éxito entrenamiento cognitivo pueden aumentar cuando se combinan con las repetidas sesiones tDCS y estabilidad a largo plazo de estas mejoras se han notificado a durar hasta varios meses en adultos sanos de 8-10. Tales resultados también han despertado un interés en el uso de TDCS en contextos clínicos y los datos preliminares sugieren que también puede ser útil como un enfoque de tratamiento primario o adyuvante en diversas poblaciones clínicas 3. Sin embargo, mientras que un número relativamente grande de estudios aborda los efectos neurofisiológicos de tDCS en el sistema motor, se sabe poco sobre los mecanismos neurales subyacentes de efectos tDCS sobre las funciones cerebrales cognitivas en la salud y la enfermedad.Una mejor comprensión del modo de acción de tDCS es un requisito previo necesario para aplicaciones más específicas de tDCS en la investigación y el ámbito clínico.
Este problema puede abordarse mediante la combinación de tDCS con técnicas de imágenes cerebrales funcionales como la electroencefalografía (EEG) o la resonancia magnética funcional (fMRI). La mayoría de los estudios que investigan los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras han optado por emplear fMRI 11. En particular, la fMRI es la técnica de imagen cerebral más ampliamente utilizado para investigar los mecanismos neurales que subyacen a las funciones cognitivas y motoras 11. Por otra parte, cuando se combina con aplicación simultánea de TDCS, fMRI permite el examen de los mecanismos neurales que subyacen a los efectos de comportamiento tDCS con mayor resolución espacial a través de todo el cerebro en comparación con EEG (para las descripciones recientes de combinado TDCS-EEG ver Schestatsky et al. 12). El presente manuscrito describe ªuso e combinada de tDCS en simultáneo fMRI. Esta nueva técnica se ha utilizado con éxito para estudiar los mecanismos neurales que subyacen tDCS inducida por modulaciones de las funciones motoras y cognitivas 13-19. En el futuro, este protocolo combinado producirá nuevos conocimientos sobre los mecanismos de acción tDCS en salud y enfermedad. Comprender el impacto de tDCS en redes neuronales a gran escala según la evaluación de esta técnica puede sentar las bases para una aplicación más específica de tDCS en la investigación y el ámbito clínico.
El manuscrito se centrará en las diferencias entre tDCS experimentos de comportamiento y el uso combinado de tDCS en simultáneo fMRI, con un especial énfasis en los requisitos de hardware, implementación de la técnica y las consideraciones de seguridad. A modo de ejemplo, una sola sesión de tDCS administrados a la circunvolución frontal inferior izquierda (IFG) durante la tarea ausente en reposo por el estado (RS) y de resonancia magnética funcional durante una tarea de lenguaje 14, 15 wenfermo puede describir, aunque muchas otras aplicaciones son posibles 16, 19. Los detalles del diseño experimental, características de los participantes y los procedimientos de análisis de datos de resonancia magnética funcional han sido descritos en detalle en las publicaciones originales 14,15 y están más allá del alcance de la presente manuscrito. Por otra parte, en estos estudios, una resonancia magnética funcional adicional scan que involucren farsa tDCS se adquirió y se compara con los resultados de la sesión atDCS (ver "Los resultados representativos" para más detalles). Esta sesión fue idéntica a la descrita en el presente manuscrito, excepto que la estimulación se interrumpió antes del inicio de la sesión de exploración (véase la Figura 1 para más detalles). El presente procedimiento se ha aplicado con éxito en un escáner 3-Tesla MRI Siemens Trio en el Centro de Berlín para Advanced Imaging (Charité de la Universidad de Medicina de Berlín, Alemania), y debe ser aplicable a otros escáneres, así 13 en principio.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Contraindicaciones y Consideraciones Especiales
- Meticulosamente el filtro de los participantes para contraindicación de resonancia magnética (por ejemplo, marcapasos, claustrofobia, etc) y excluir si es necesario. Adquirir cuestionarios estándar en instituciones clínicas o centros de investigación que operan los equipos de RM. Siga siempre los procedimientos de seguridad estándar al entrar en la sala del escáner.
- Meticulosamente el filtro de los participantes para contraindicación para tDCS. Estos pueden superponerse con contraindicaciones para la RM. Ver Villamar et al. 20 para ver un ejemplo.
- Consulte con el centro de operación en materia de seguridad local y las regulaciones éticas y obtener los permisos necesarios. Prueba para posibles artefactos de imagen inducidos por el equipo actual o TDCS estimulación antes del comienzo del experimento real (por ejemplo, probando el impacto de TDCS en relación de señal a ruido 17, 18).
2. FMConfiguración de RI, Diseño Experimental y Materiales
Nota: El uso de tDCS en el interior de un escáner de resonancia magnética se necesita un equipo especial. En particular, específica se requieren cables compatibles con MRI, cajas de filtros, electrodos y correas para sujetar los electrodos a la cabeza de los sujetos. Figura 2 ilustra (A) equipo estándar tDCS y (B) componentes para su uso con la RM. Los últimos componentes son necesarios para evitar la posibilidad de la calefacción debajo de los electrodos debido a los pulsos de radiofrecuencia emitidas durante la RMN. Además, los artefactos de imagen de alta frecuencia pueden ser inducidas por el dispositivo TDCS. Ambos se pueden prevenir mediante el uso de cajas de filtros colocados fuera y dentro de la sala del escáner, cables equipados con resistencias y electrodos de goma conductiva compatibles con la RM dedicados.
- Realice generales experimental y secuencias para el experimento fMRI. Ambos dependen de los objetivos del estudio. Nota: el protocolo a continuación es especiFIC para este experimento, pero puede ser revisada para aplicar a un número de diferentes situaciones experimentales.
- Use una computadora de escritorio con el software de presentación de estímulo instalada para una tarea lenguaje que implica la presentación visual de las categorías semánticas dentro del escáner. Presentar estos estímulos en una pantalla en el interior del escáner a través de un proyector conectado a la computadora y un sistema de espejos.
- Utilice un micrófono compatible con resonancia magnética para la transmisión de las respuestas verbales explícitas. Adquirir dos secuencias funcionales durante tDCS: a-tarea ausente RS-secuencia de cinco minutos y una tarea palabra generación semántica manifiesta. Nota: Los detalles adicionales de la puesta en marcha experimental, y secuencias de estímulos de resonancia magnética funcional han sido previamente descrito en detalle 14, 15 y la Figura 1 ilustra el experimento.
- Para configurar el dispositivo, programa TDCS el dispositivo para entregar una corriente constante directa de 1 mA durante 20 min para cubrir toda la duración de la exploración funcional de doss, incluyendo escapadas y tiempo para instrucciones entre las exploraciones 14, 15. Asegúrese de asegurarse de que el estimulador está suficientemente cargada; de lo contrario, se puede cerrar durante el experimento.
- Asegúrese de que todos los materiales necesarios están disponibles (Figura 2).
3. Configuración tDCS Exterior e interior del escáner (Ver Figura 3 para un resumen esquemático)
- Coloque la caja de filtro exterior cerca del filtro de radio-frecuencia (RF) del tubo (es decir, el punto de penetración en el escudo de frecuencia de radio del escáner de resonancia magnética que se puede utilizar para insertar los cables desde fuera del escáner). Conecte estimulador con la caja externa mediante cable estimulador. Caja del filtro interior y exterior no debe mezclarse para arriba. Nota: La figura 4A ilustra los tDCS set-up fuera del escáner. La caja exterior está claramente marcada en la figura 4B.
- Mida la longitud del cable requerido para conectar la posadaer con caja exterior usando cable de la caja (ver siguiente punto con respecto al posicionamiento del cable en la sala del escáner). Inserte el cable de la caja en el tubo de RF desde el exterior del escáner y conectar con la caja de filtro exterior (Figura 4).
- Coloque la caja del filtro interno en el interior del extremo posterior del orificio del escáner (Figura 5); utilice cinta adhesiva para mantenerlo en su lugar. Conecte el cable de la caja con la caja de filtro interior y evitar los bucles en los cables ya que pueden causar calentamiento por RF. Nota: El cable debe estar alineada con las paredes de la sala del escáner y se fija con cinta adhesiva (Figura 3).
4. Participante Preparación y posición del participante en Escáner
- Al igual que con tDCS convencionales set-ups, inspeccione la piel del participante para encontrar lesiones pre-existentes, mueva pelo, la piel limpia con alcohol para eliminar la laca de pelo, loción corporal, etc. para mejorar la conductividad de la piel debajo de los electrodos 12, <sup> 21.
- Remojar los bolsillos de esponja con solución salina e insertar electrodos compatibles con MRI en los bolsillos (ver DaSilva 21 para consideraciones generales de la preparación de los participantes y la colocación de los electrodos).
- Posiciones de los electrodos Marcar en las cabezas de los sujetos utilizando una pluma que no deja huellas ferromagnéticos (por ejemplo, no usan delineador de ojos). Determinar la posición de destino para ánodo usando 10-20 sistema EEG (en este caso la izquierda IFG, 5 x 7 cm 2) 14, 15. Para ello, localizar (a) la intersección de T3-F3 y F7-C3 y (b) el punto medio entre F7-F3. La posición de destino está en el centro de una línea de puntos de conexión (A) y (B). Lugar de cátodo (10 x 10 cm 2) sobre la posición supraorbital derecha (para los detalles de la colocación de electrodos ver Meinzer et al. 14, 15). Conecte los electrodos a la cabeza usando la banda de goma.
- Guía del participante detrás del escáner y conecte el cable del electrodo con la filt interiorcuadro er. Encienda el estimulador y la impedancia de prueba presionando la parte superior derecha y el botón inferior izquierda del estimulador simultáneamente. Si se alcanzan los límites de impedancia, a continuación, el estimulador se detendrá automáticamente. Si esto ocurre, compruebe si los electrodos están en contacto con el cuero cabelludo, la piel limpia de nuevo o aplicar más solución salina si las esponjas se han convertido en demasiado seco, y luego comprobar si hay algún cable roto. Nota: La impedancia es típicamente más altos en comparación con los montajes convencionales debido a cables adicionales y cajas de filtro entre el estimulador y los electrodos.
- Guía del Participante en la sala del escáner (después de una verificación final). Coloque el participante en el pórtico del escáner y asegúrese de que los electrodos se encuentran todavía en la posición correcta. Cierre la cabeza de bobina. El cable del electrodo debe ser alimentado a través de la parte inferior izquierda de la bobina de la cabeza (ver Figura 6) o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.
- Mueva participante en el agujero del escáner. Asegúrese de que el cable hagaes no ponerse en el pórtico y romper (véase la Figura 6 para una posible posición segura del cable durante esta etapa). Cuando el participante haya alcanzado la posición final dentro del escáner, alcanzar para el cable del electrodo desde el extremo posterior del escáner y conectarlo a la caja del filtro interior. Entregar botón de emergencia para los participantes y salir de la sala del escáner.
5. Comienzo de la estimulación
- Utilice el intercomunicador escáner para informar al participante sobre el inicio de sesión de exploración. Inicie el escaneado localizador estructural (para determinar la posición de la cabeza del participante en el escáner y permitir una planificación de exploraciones funcionales y estructurales posteriores) utilizando la consola de exploración. Inspeccione exploración localizador de artefactos de alta frecuencia: Haga doble clic en la exploración del localizador después del final del periodo de adquisición y ajustar el contraste (por Siemens Trio manteniendo pulsado el botón derecho del ratón y el ratón a izquierda y derecha en movimiento, por ejemplo, véase las figuras 7Ay 7B).
- Utilice el intercomunicador escáner para comunicarse con el tema de que la estimulación se iniciará y que él / ella puede sentir una sensación de hormigueo en el cuero cabelludo por un corto tiempo. Repita las instrucciones para la primera exploración funcional. En este ejemplo, instruir a los participantes a mantener los ojos cerrados durante la duración de la exploración (5 min), moverse lo menos posible y no pensar en nada en particular. Asegúrese de que el proyector se apaga (la pantalla dentro de la perforación escáner es negro) para evitar la estimulación visual durante la RS-scan.
- Iniciar la estimulación manualmente aproximadamente 1-2 min antes del inicio de la primera exploración funcional (RS-Scan). Utilice la consola del escáner para cargar RS-secuencia. Haga doble clic en RS-secuencia para abrir el campo de visión (FOV), cargo para cubrir todo el cerebro y alinearse aproximadamente con la comisura anterior-posterior ajuste. Inicie el primer análisis (utilizando el botón de escaneo START).
- Monitorear la impedancia durante todo el experimento. Nota: Si el experiment se lleva a cabo en un modo de doble ciego (participante y el investigador están cegados a la estimulación), un segundo investigador puede ser necesario supervisar la impedancia.
- Mientras que el RS-secuencia se está ejecutando, cargar segunda secuencia de imágenes funcionales (por tarea idioma posterior) y ajustar FOV, utilizando la consola de escáner que el anterior, para reducir el tiempo requerido entre búsquedas. Después del final de la RS-secuencia, gire en el proyector para permitir la presentación visual de los estímulos experimentales durante una tarea de idioma. Haga doble clic en el icono de software de presentación y modelo de lenguaje de carga. Utilice el intercomunicador escáner que repita las instrucciones para fMRI paradigma relacionado con la tarea y comenzar con la tarea 14, 15.
- Después de que el final del experimento de estimulación / fMRI, continuar con las exploraciones estructurales planeadas. No desconecte los cables del electrodo hasta el final de la sesión de exploración.
- Al final del experimento, desconecte el cable del electrodo de la caja de filtro interior antes de trasladarse fuera de la participantede diámetro interior del escáner. Retire participante desde el escáner, desconecte la bobina cabeza y pedir al participante que se siente hacia arriba y retire cuidadosamente los electrodos.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Funcional RM es la técnica de imagen funcional más utilizado para hacer frente a los mecanismos neurales subyacentes de las funciones motoras o cognitivas. Más recientemente, fMRI también se ha utilizado para evaluar los efectos tDCS en la actividad cortical y la conectividad. Sin embargo, la mayoría de estos estudios tDCS administrados fuera del escáner y evaluaron los efectos de la estimulación fuera de línea (es decir, administrado tDCS antes de escanear 22, 23). Sólo unos pocos estudios hasta la fecha han administrado durante tDCS simultánea fMRI, utilizando diferentes contraste dependiente del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) 14-17, 24 o secuencias de imágenes de perfusión 13, 19. Esos estudios utilizados dentro de los sujetos diseños para comparar la actividad cerebral funcional o cambios de perfusión durante atDCS vs tDCS simulacro de arrojar luz sobre los mecanismos neurales que subyacen a los efectos conductuales inmediatos de tDCS en salud y enfermedad 1, 3.
Por ejemplo, en dos estudios recientes, Meinzer y colegas evaluaron apuntalamientos neuronales de las mejoras de rendimiento inducidas atDCS durante semántica palabra generación en los adultos sanos menores de 15 años y mayores 14. En ambos estudios, el rendimiento fue superior durante atDCS administrados al IFG izquierda en comparación con la estimulación falsa, indicado por un número significativamente menor de errores durante la tarea. En particular, el desempeño de los adultos mayores durante semántica generación de textos, una tarea que se sabe que está afectado negativamente por 25-28 avanzada edad, se mejoró hasta el nivel de un grupo de referencia de los adultos más jóvenes 14.
FMRI relacionado con la tarea reveló que un mejor desempeño durante atDCS en comparación con el tratamiento simulado se asoció con reducción de actividad muy localizada relacionada con las tareas en la parte ventral del IFG en ambos estudios (Figura 8). Tenga en cuenta que la actividad en el IFG dorsal izquierda (un sonuna en la proximidad de la zona de estimulación) no se vio afectada por la estimulación. De acuerdo con un estudio previo en adultos mayores sanos que emplearon un tipo diferente de la palabra de consulta de tareas (denominación de dibujos 17), estas reducciones de actividad puede estar relacionada con el procesamiento neural más eficiente en las regiones cerebrales relevantes para la tarea 14, 15. Por otra parte, en el grupo de mayor edad, atDCS reducen mejora relacionada con la edad de la actividad del hemisferio derecho y la actividad reducida se correlacionó con la mejoría en el comportamiento 14. Estos resultados ilustran el potencial de esta nueva técnica para identificar bases neuronales de TDCS-acción en el sitio de estimulación y también en las regiones del cerebro distantes.
Además, se confirmaron los efectos de red a gran escala de atDCS en ambos estudios utilizando RS-fMRI. Un enfoque de la conectividad funcional basado en grafos reveló: (1) una mayor conectividad (es decir, la comunicación mejorada) entre los principales ejes de la sy idiomamadre en los adultos más jóvenes durante atDCS en comparación con el tratamiento simulado (por ejemplo, véase la Figura 9, adaptado de Meinzer et al. 15). En los adultos mayores, atDCS resultó en la reversión parcial de la estructura de la red alterada en comparación con adultos más jóvenes 14. Estos resultados muestran que los efectos de red a gran escala de la estimulación pueden ser identificados utilizando esta técnica.
Figura 1. Visión general del combinado experimento tDCS-fMRI. Dos resonancias magnéticas funcionales fueron adquiridos (una exploración en estado de reposo seguido de una tarea semántica palabra generación). Estimulación (simulada o atDCS) comenzó aproximadamente 1-2 min antes de la exploración en estado de reposo y se inició hasta el final de la tarea idioma (atDCS), o se reduce hasta antes del inicio de la exploración en estado de reposo (shsoy; no se describe aquí; para más detalles ver Meinzer et al. 14,15). Exploraciones estructurales adicionales fueron adquiridos después del final de la estimulación. Ubicación Estimulación (IFG, punto rojo en esquema) se determinó utilizando el sistema EEG 10-20 (amarillo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Equipo tDCS. (A) muestra un equipo estándar para un estudio tDCS. Esto incluye (1) el estimulador, (2) dos cables de electrodo estándar, y (3) los electrodos de goma y bolsillos esponjas para electrodos. (B) ilustra los componentes adicionales necesarios para tDCS intrascanner: (4) Cable de estimulador, (5) Cable de electrodoequipado con resistencias, (6) y exterior (7) Cajas de filtro interno, (8) cable de la caja para conectar las dos cajas de filtro, y (9) electrodos de goma compatibles con la RM. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Esquema resumen de tDCS puesta a punto exterior y el interior del escáner. Estimulador de corriente directa (1) está conectado con la caja de filtro exterior mediante un cable de estimulador (2). Cable Caja entra sala del escáner a través del tubo de filtro de frecuencia de radio (3). Cable de la caja debe estar alineada con la pared de la sala de resonancia magnética (4) y se conecta a la caja de filtro interior que se coloca en el interior del escáner de resonancia magnética (5). Se colocan electrodos en la cabeza del sujeto y el electrodo cable se alimenta a través de la parte inferior izquierda de la bobina de la cabeza y se conecta con la caja de filtro interior (6). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Los detalles de puesta a punto en el interior del escáner. (A) muestra la colocación de la caja de filtro exterior en las proximidades de los tubos de filtro de frecuencia de radio y cable de la caja que se inserta en el tubo de filtro izquierda. (B) Primer plano de la caja exterior que no es compatible con resonancia magnética. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Colocación de la caja de filtro interior. Esta figura ilustra la posición de la caja de filtro interior interior del escáner (parte trasera). Caja de filtro se coloca debajo de una pantalla en la que los estímulos experimentales se presentan usando un proyector. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Colocación del cable de electrodos. Esta figura muestra la bobina de la cabeza cerrada del escáner. (A) La cabeza del sujeto se coloca en cabeza de bobina con los electrodos colocadosa la cabeza con electrodos de goma. Cable sale del electrodo de cabezas de espiral en la parte inferior izquierda. (B) El electrodo se coloca en la parte superior de la bobina de la cabeza al mover el objeto en el orificio del escáner. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. Ilustra artefactos de alta frecuencia inducidas por un cable roto. (A) Artefacto no es visible en corte axial de la exploración del localizador mediante el contraste de serie en MRIcron (www.mrico.com). (B) Artefacto se hace visible después de ajustar los valores de contraste (flechas blancas, ajustes de contraste 0-20). Del mismo modo, artefacto de alta frecuencia no es visibleen la secuencia de imágenes funcionales utilizando contraste predeterminado (C), pero se hace visible después de ajustar el contraste (D). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Impacto de atDCS sobre la actividad funcional relacionado con la tarea. Ilustra una reducción significativa de la actividad relacionada con la tarea durante la tarea semántica palabra generación en la porción ventral de la circunvolución frontal inferior (vIFG) en adultos jóvenes y mayores (atDCS <farsa, ambos p <0,05). No se encontraron diferencias significativas en el IFG dorsal izquierda (dIFG) en ambos grupos. Parrendamos clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9. Impacto de atDCS en la conectividad funcional en estado de reposo. Ilustra las regiones que mostraron una mayor (rojo) o reducida (azul) la conectividad durante atDCS en comparación con la estimulación simulada durante la exploración en estado de reposo (rebanadas sagital x = -52/52, coronal rebanada z = 5). L = hemisferio izquierdo, R = hemisferio derecho. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10.;. Verificación de la posición de destino (A) El lado izquierdo de la figura muestra la ubicación de los electrodos en el cuero cabelludo (representación superficial basado en imágenes potenciadas en T1 en el uso de MRIcron). (B) El lado derecho de la imagen ilustra la proyección del centro del electrodo en el cerebro de la misma materia. Orientación de la imagen es idéntica en ambas imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
La aplicación combinada de tDCS con simultánea fMRI ha mostrado potencial para la aclaración de las bases neurales de los efectos inmediatos de la estimulación a través de todo el cerebro con una alta resolución espacial 13-19. En el futuro, este tipo de estudios pueden ser complementados por estudios combinados EEG-tDCS, para explotar la resolución temporal superior de esta última técnica. Además, intrascanner estimulación permite la verificación de la correcta colocación de los electrodos en el cuero cabelludo (por ejemplo, el uso de imágenes T-ponderados, véase la Figura 10). Esto puede ayudar a reducir la varianza no deseado en estudios experimentales debido a la colocación de los electrodos correctos.
Seguridad para la estimulación intrascanner se ha establecido y con la configuración apropiada, el calor no se inducida por debajo de los electrodos (por ejemplo, Holland et al. 17, ver materiales suplementarios de este estudio). La estimulación sólo afecta mínimamente imagencalidad. Por ejemplo, TDCS puede inducir relación señal a ruido y los artefactos de susceptibilidad o distorsiones de campo B0 debajo de los electrodos 17, 18, con este último restringido en el cuero cabelludo (para revisión ver Saiote et al. 23) ligeramente reducida. Sin embargo, así como artefactos de cuero cabelludo, un estudio post-mortem por Antal et al. 29 encontraron artefactos inducidos por tDCS con magnitud comparable de los efectos BOLD fisiológicos durante una tarea dedo tocando en los ventrículos. Por lo tanto, se aconseja a los investigadores para llevar a cabo los procedimientos de garantía de calidad de imagen apropiados 23. Por otra parte, mal funcionamiento del equipo (por ejemplo, los cables de conexión de los electrodos o roto) puede inducir artefactos de alta frecuencia en secuencias BOLD (véanse las figuras 7C y 7D). Por lo tanto, todo se debe tener cuidado al manipular el equipo y una exploración previa procedimientos de garantía de calidad. La sustitución de los cables rotos puede prevenir tales Artifacts.
En el protocolo actual, se describe el uso combinado de TDCS con dos secuencias de resonancia magnética funcional. Para evitar posibles interacciones entre los efectos de resonancia magnética funcional relacionadas con la tarea en secuencias de resonancia magnética funcional posteriores, y particularmente RS-fMRI 30, el RS-fMRI fue adquirido con anterioridad a la tarea semántica palabra generación. Por otra parte, las secuencias estructurales adicionales (por ejemplo, T1, T2 y de difusión ponderada escanea) fueron adquiridos después de las secuencias funcionales debido a que las salinas empapado electrodos de esponja pueden secarse con el tiempo y la estimulación se verá afectado si intrascanner tDCS se administra al final de un largo sesión de exploración.
Aparte del uso en entornos experimentales en sujetos sanos, las futuras aplicaciones de esta nueva técnica son concebibles en poblaciones de pacientes. Por ejemplo, la combinación de TDCS con tratamiento lenguaje administrado durante varios días consecutivos ha demostrado para mejorar el resultado del tratamiento en post-ictus Langtrastornos uage (afasia) 31, 32. Sin embargo, mientras que los efectos de estimulación fueron significativas entre los grupos de pacientes, hasta un 30% de los pacientes individuales no se benefició de la estimulación 32. El uso combinado de tDCS con fMRI puede en el futuro permitir la identificación de los pacientes que responden favorablemente a un determinado tipo de estímulo y ayudan a identificar a los pacientes que no presentan estos efectos. Estos estudios son un requisito previo para mejorar la eficacia de los ensayos clínicos futuros que combinan la intervención conductual con tDCS. Otras aplicaciones pueden incluir la evaluación de las bases neurales de la tDCS efectos beneficiosos en la demencia y sus precursores u otra enfermedad neurológica o psiquiátrica 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por becas de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 y por DFG-Exc-257, UL: 423/1-1), el Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A y 01GY1144; AF y MM: 01EO0801), el Servicio de Intercambio Académico Alemán (AF: DAAD-54391829), Go8 Australia - Esquema Alemania Común de Investigación de Cooperación (DC: 2011001430), el Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) y el Consejo de Investigación Australiano (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Damos las gracias a Kate María López por su asistencia editorial.
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).
