Transkraniell likström stimulering och Samtidig Functional Magnetic Resonance Imaging

Summary

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik. Det har med framgång använts i grundforskning och kliniska miljöer för att modulera hjärnans funktion hos människor. Denna artikel beskriver genomförandet av TFF och samtidig funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), för att undersöka neurala grunden för TFF effekter.

Abstract

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik som använder svaga elektriska strömmar som administreras till hårbotten för att manipulera kortikal retbarhet och, följaktligen, beteende och hjärnans funktion. Under det senaste decenniet har flera studier adresserade kortsiktiga och långsiktiga effekter av TFF på olika mått på spatial förmåga under motoriska och kognitiva uppgifter, både hos friska individer och i en rad olika patientgrupper. Hittills har dock, lite är känt om de neurala grunderna för TFF-handling hos människor när det gäller storskaliga hjärnnätverk. Det här problemet kan lösas genom att kombinera TFF med funktionell hjärnavbildningstekniker som funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) eller elektroencefalografi (EEG).

I synnerhet är fMRI den mest använda hjärnavbildningsteknik för att undersöka de neurala mekanismer som ligger bakom kognition och motoriska funktioner. Applicatipå av TFF under fMRI tillåter analys av de neurala mekanismerna bakom beteende TFF effekter med hög rumslig upplösning över hela hjärnan. Nya studier som använder denna teknik identifierade stimulering inducerade förändringar i uppgiftsrelaterat funktionell hjärnaktivitet vid stimulering webbplats och även i mer avlägsna områden i hjärnan, som var förknippade med beteende förbättring. Dessutom TFF administreras under vila-state fMRI tillåtet identifiering av omfattande förändringar i hela hjärnan funktionell uppkoppling.

Framtida studier med denna kombinerade protokoll bör ge nya insikter i de mekanismer för TFF åtgärder inom hälsa och sjukdom och nya alternativ för en mer målinriktad tillämpning av TFF i forskning och kliniska situationer. Den nuvarande manuskriptet beskriver denna nya teknik i en steg-för-steg mode, med fokus på de tekniska aspekterna av TFF administrerade under fMRI.

Introduction

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv metod för hjärnstimulering i vilket kortikal funktion moduleras med hjälp av en svag elektrisk ström (typiskt 1-2 mA) projiceras mellan två hårbotten-anbringat elektroder. Fysiologiskt, TFF inducerar en polaritet beroende förskjutning i neuronal vila membranpotential (RMP) i den riktade kortikala regionen genom manipulation av natrium-och kalciumkanaler och därigenom främja förändringar i kortikala retbarhet ^1. Specifikt har anodstimuleringen (atDCS) visats öka kortikal aktivitet via depolarisering av nerv RMP medan katodstimulering (ctDCS) minskar kortikal retbarhet ^2. Jämfört med andra typer av hjärnstimulering (t.ex. transkraniell magnetisk stimulering) säkerheten har väl etablerade och hittills inga allvarliga biverkningar har rapporterats även i utsatta befolknings ^{3, 4.} Dessutom, åtminstone för lower stimuleringsnivåer (upp till 1 mA), en effektiv placebo ("bluff") stimuleringstillstånd före ^5, vilket gör effektiv förblinda deltagare och utredare till stimuleringsförhållanden, vilket gör TFF ett attraktivt verktyg i experimentell och klinisk forskning inställningar.

Ett flertal studier har hittills visat att dessa förändringar i kortikala retbarhet kan resultera i beteende modulationer. I motorsystemet, har konsekvent polaritet beroende effekter rapporterats ^{1, 6} för både atDCS och ctDCS. I kognitiva studier, de flesta studier som anställd atDCS att förbättra kognitiva funktioner rapporterade positiva effekter på prestanda ^7, medan ctDCS ofta inte ledde till försämrad kognitiv behandling. Det senare kan förklaras av ökad redundans av neurala resurser bearbetnings underliggande kognition ^6. Majoriteten av TFF studier har sysselsatt cross-over design för att studerade omedelbara effekterna av stimulering, som räcker längre än de avslutande av ström endast under korta tidsperioder ^1. Det har dock föreslagits att upprepad stimulering effekter på proteinsyntes, dvs den neurala mekanism underliggande skicklighet förvärv ^8. I själva verket kan motor eller kognitiv träning framgång förbättras när det kombineras med upprepade TFF sessioner och långsiktig stabilitet av dessa förbättringar har rapporterats att pågå i upp till flera månader hos friska vuxna ^8-10. Sådana fynd har också väckt ett intresse för användning av TFF i kliniska sammanhang och preliminära data tyder på att det även kan vara användbara som en primär eller tilläggsbehandling förhållningssätt i olika kliniska populationer ^3. Men medan ett relativt stort antal studier behandlas neurofysiologiska effekterna av TFF i motorsystemet, lite är känt om de underliggande neurala mekanismerna för TFF effekter på kognitiva hjärnfunktioner i hälsa och sjukdom.En bättre förståelse för verkningsmekanismen för TFF är en nödvändig förutsättning för mer riktade tillämpningar av TFF inom forskning och kliniska situationer.

Det här problemet kan lösas genom att kombinera TFF med funktionell hjärnavbildningstekniker som elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). De flesta studier som undersöker de neurala mekanismerna bakom kognition och motorik har valt att anställa fMRI ^11. I synnerhet är fMRI den mest använda hjärnavbildningsteknik för att undersöka de neurala mekanismer som ligger bakom kognition och motoriska funktioner ^11. Dessutom i kombination med samtidig tillämpning av TFF, låter fMRI undersökning av de neurala mekanismerna bakom beteende TFF effekter med högre rumslig upplösning över hela hjärnan jämfört med EEG (för nya beskrivningar av kombinerad TFF-EEG ser Schestatsky et al. ^12). Den nuvarande manuskriptet beskriver the kombinerad användning av TFF under samtidig fMRI. Denna nya teknik har framgångsrikt använts för att studera de neurala mekanismerna bakom TFF-inducerade modulationer av motoriska och kognitiva funktioner ^13-19. I framtiden kommer denna kombinerade protokoll ger nya insikter i de mekanismer för TFF insatser inom hälsa och sjukdom. Förstå effekterna av TFF på storskaliga neurala nätverk som bedömt med denna teknik kan lägga grunden för en mer målinriktad tillämpning av TFF i forskning och kliniska situationer.

Manuskriptet kommer att fokusera på skillnader mellan beteende TFF experiment och den kombinerade användningen av TFF under samtidig fMRI, med en särskild betoning på hårdvarukrav, genomförande av tekniken, och säkerhetsaspekter. Som ett exempel, en enda session av TFF administreras till vänster underlägsna frontal gyrus (IFG) under uppgifts frånvarande vilo-tillstånd (RS) fMRI och under en språkuppgift ^{14, 15} Wsjuk beskrivas, även om många andra tillämpningar är möjliga ^{16, 19.} Detaljer om experimentell design, deltagare egenskaper och fMRI dataanalys förfaranden har beskrivits i detalj i de ursprungliga publikationerna ^14,15 och är utanför ramen för föreliggande manuskriptet. Dessutom i dessa studier ytterligare fMRI skanna den som är involverad sham TFF förvärvades och jämfördes med resultaten av atDCS sessionen (se "Representativa resultat" för detaljer). Denna session var identisk med den som beskrivs i detta manuskript, förutom att stimuleringen avbröts före starten av skanningssessionen (se figur 1 för detaljer). Det nuvarande förfarandet har genomförts framgångsrikt i en 3-Tesla Siemens Trio magnetkamera på Berlin Centre for Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Tyskland), och bör i princip tillämpas på andra skannrar och ^13.

Protocol

1. Kontraindikationer och Särskilda överväganden

1. Grundligt screena deltagarna för MRI kontraindikationer (t.ex. pacemaker, klaustrofobi, etc.) och omfattar vid behov. Förvärva standard frågeformulär vid kliniska eller forskningsinstitutioner som verkar MRI scanners. Följ alltid standardiserade säkerhetsrutiner när kommer in i skannern rummet.
2. Grundligt screena deltagarna för kontraindikationer för TFF. Dessa kan överlappa med kontraindikationer för MR. Se Villamar et al. ²⁰ för ett exempel.
3. Rådgör med driftsanläggningen avseende lokal säkerhet och etiska regler och erhålla nödvändiga tillstånd. Test för potentiella imaging artefakter inducerade av stimuleringsströmmen eller TFF utrustning före påbörjandet av det faktiska experimentet (t ex genom att testa effekten av TFF på signal-till-brus-förhållande ^{17, 18).}

2. FMRI Setup, experimentell design och material

Obs: Användningen av TFF inuti en magnetkamera kräver speciell utrustning. Särskilt specifika MR-kompatibla kablar, filterboxar, elektroder och remmar för att fästa elektroder på försökspersonernas huvud krävs. Figur 2 visar (A) standarden TFF utrustning och (B) komponenter för användning med MRT. De senare komponenterna är nödvändiga för att förhindra risken för upphettning under elektroderna på grund av radiofrekvenspulser avgivna under MRI. Dessutom kan högfrekventa avbildningsartefakter induceras genom TFF anordningen. Båda kan förebyggas med hjälp av filterlådor placerade utanför och inne i skannern rummet, kablar försedda med motstånd och hängivna MRI-kompatibla ledande gummielektroder.

1. Utför allmän försöksuppställningen och sekvenser för fMRI experimentet. Båda är beroende av syftet med studien. Notera: protokollet nedan är specific till detta experiment, men kan ändras för att gälla för ett antal olika experimentella situationer.
2. Använd en stationär dator med stimulans presentationsprogram installeras för en språk uppgift som innebär visuell presentation av semantiska kategorier inne i skannern. Presentera dessa stimuli på en skärm på insidan av skanner via en projektor är ansluten till datorn och ett system av speglar.
3. Använd en MR-kompatibel mikrofon för överföring av uppenbara verbala svar. Skaffa två funktionella sekvenser under TFF: en fem-minuters uppgifts frånvarande RS-sekvens och en öppen semantisk ord generationens uppgift. Obs: Ytterligare uppgifter om försöksuppställningen, har fMRI sekvenser och stimuli som tidigare beskrivits i detalj ^{14, 15} och Figur 1 visar experimentet.
4. För att ställa in TFF-enheten, programmet enheten att leverera en konstant likström på 1 mA i 20 min för att täcka hela den tid de två funktionella scans, inklusive korta pauser och tid för instruktioner i mellan skanningar ^{14, 15.} Försäkra dig om att stimulatorn är tillräckligt laddat; annars kan det stängas av under experimentet.
5. Se till att alla nödvändiga material finns (Figur 2).

3. TFF Setup utsidan och insidan av Scanner (Se figur 3 för en schematisk översikt)

1. Placera det yttre filtret nära radiofrekvensfilter (RF) rör (dvs. penetrationspunkten i radiofrekvens sköld av magnetkamera som kan användas för att sätta in kablarna från utsidan av skannern). Anslut stimulator med den yttre rutan med hjälp av stimulator kabel. Inre och yttre filterlåda får inte förväxlas. Observera: Figur 4A illustrerar TFF uppställt utanför skannern. Den yttre rutan är tydligt markerade i figur 4B.
2. Mät kabellängd krävs för att ansluta innmans med ytterrutan med box-kabel (se nästa punkt om placering av kabel i scannerrummet). För in rutan kabeln i RF-rör från utsidan av skannern och få kontakt med ytterfilterlåda (Figur 4A).
3. Placera inner filterbox inne i bakre änden av skannern hålet (Figur 5); Använd tejp för att hålla den på plats. Anslut box kabel med inner filterbox och undvika loopar i några kablar eftersom dessa kan framkalla RF uppvärmning. Obs: Kabeln bör anpassas till väggarna i skannern rummet och fäst med tejp (Figur 3).

4. Deltagare Upprättande och positionering av deltagare i Scanner

1. Som med konventionella TFF uppställningar, inspektera huden på deltagaren för eventuella redan existerande lesioner, flytta håret bort, ren hud med alkohol för att ta bort hårspray, body lotion osv. för att förbättra hudens ledningsförmåga under elektroderna ^12, <sup> 21.
2. Blötlägg svampen fickor med koksaltlösning och sätt MRI-kompatibla elektroder in i fickorna (se DaSilva ²¹ för allmänna överväganden av deltagare förberedelser och elektrod positionering).
3. Markera positioner elektrod på försökspersonernas huvuden med hjälp av en penna som inte lämnar något ferromagnetiska spår (t.ex. använd inte eyeliner). Bestäm målläge för anod använder 10-20 EEG-system (här: vänster IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} För att göra detta, leta upp (a) korsningen av T3-F3 och F7-C3 och (b) mittpunkten mellan F7-F3. Målpositionen är i centrum av en linje mellan punkterna (a) och (b). Placera katod (10 x 10 cm ²⁾ över höger supraorbital läge (för detaljer om elektrodplacering se Meinzer et al. ^{14, 15).} Fäst elektroderna till huvudet med hjälp av gummiband.
4. Guide deltagaren bakom skannern och anslut elektrodkabel med inner filtER kartong. Slå på stimulatorn och testa impedans genom att trycka på den övre högra och nedre vänstra knappen på stimulatorn samtidigt. Om impedansen gränsvärden uppnås, då stimulatorn stannar automatiskt. Om detta inträffar, kontrollera om elektroder har kontakt med hårbotten, ren hud igen eller tillämpa mer koksaltlösning om svampar har blivit för torr, och sedan kontrollera om någon kabel är trasig. Obs: Impedans är oftast högre jämfört med konventionella uppställningar på grund av extra kablar och filterlådor mellan stimulatorn och elektroder.
5. Guide deltagare i scannern rummet (efter en sista säkerhetskontroll). Placera deltagaren på skanner portalen och se till att elektroderna fortfarande är i rätt läge. Stäng huvudpolen. Elektrodkabeln skall matas genom den nedre vänstra delen av huvudbatteriet (se figur 6) eller i enlighet med tillverkarens rekommendationer.
6. Flytta deltagare i skannern hålet. Se till att kabeln göres inte fånga på portalen och bryta (se figur 6 för en eventuell säker placering av kabeln under detta steg). När deltagaren har nått den slutliga positionen inne i scannern, nå för elektrodkabeln från den bakre änden av scannern och anslut den till det inre filterrutan. Överlämning nödknapp till deltagare och lämnar skannerrummet.

5. Starta Stimulering

1. Använd skanner intercom att informera deltagaren om starten av skanningssessionen. Starta strukturella localizer scan (för att bestämma huvudposition deltagare i skannern och möjliggöra planering av efterföljande funktionella och strukturella scanningar) med hjälp av scanning konsol. Inspektera localizer scan för högfrekventa artefakter: Dubbelklicka på localizer scan efter utgången av förvärvsperioden och justera kontrasten (för Siemens Trio genom att hålla höger musknapp och flytta musen till vänster och höger, för exempel se Figur 7Aoch 7B).
2. Använd skanner intercom för att kommunicera med motivet att stimuleringen påbörjas och att han / hon kan känna en stickande känsla i hårbotten för en kort tid. Upprepa instruktionerna för första fungerande skanning. I det här exemplet instruerar deltagaren att hålla ögonen stängda under hela genomsökningen (5 min), röra sig så lite som möjligt och tänker på ingenting särskilt. Se till att projektorn är avstängd (skärm inne i scannern hålet är svart) för att undvika visuell stimulans under RS-scan.
3. Starta stimuleringen manuellt ca 1-2 minuter före starten av den första funktionella scan (RS-scan). Använd skannerkonsolen för att ladda RS-sekvens. Dubbelklicka på RS-sekvens för att öppna fält-of-view (FOV), justera position för att täcka hela hjärnan och rikta ungefär med den främre-bakre kommissur. Starta den första skanningen (med hjälp av START-scan-knappen).
4. Övervaka impedans genom hela experimentet. OBS: Om experiment bedrivs i en dubbelblind läge (deltagare och forskare är förblindade till stimulering), får en andra forskare vara nödvändigt att övervaka impedansen.
5. Medan RS-sekvensen är igång, laddar andra funktionella avbildningssekvens (för senare språkuppgift) och justera FOV, med hjälp av scannerpanelen enligt ovan, för att minska tiden som krävs i mellan skanningar. Efter utgången av RS-sekvensen, slå på projektorn för att möjliggöra visuell visning av experimentella stimuli under språkuppgift. Dubbelklicka på ikonen presentationsprogram och lastspråk paradigm. Använd skanner intercom att upprepa instruktioner för uppgiftsrelaterat fMRI paradigm och börja med uppgift ^{14, 15.}
6. Efter utgången av stimulans / fMRI experiment fortsätta med planerade strukturella skanningar. Koppla inte bort elektrodkablarna till slutet av skanningssessionen.
7. Vid slutet av försöket, koppla bort elektrodkabeln från inner filterbox innan du flyttar deltagare utav skanner hålet. Ta bort deltagare från skannern, ta loss huvudet spole och be deltagaren att sitta upp och ta bort elektroderna noga.

Representative Results

Funktionell MRI är den mest använda funktionella avbildningsteknik för att ta itu med de underliggande neurala mekanismer för motoriska eller kognitiva funktioner. Mer nyligen har fMRI också använts för att utvärdera TFF effekter på kortikal aktivitet och anslutningsmöjligheter. Men de flesta av dessa studier administrerade TFF utanför skannern och utvärderas offline effekterna av stimulering (dvs. administrerad TFF innan du börjar skanna ^{22, 23).} Endast ett fåtal studier som hittills har administrerat TFF under samtidig fMRI, med hjälp av olika beroende kontrast blodets syresättning nivå (BOLD) ^{14-17, 24} eller perfusion imaging sekvenser ^{13, 19.} De studier som används inom ämnen mönster att jämföra funktionell hjärnaktivitet eller perfusion förändringar under atDCS vs falska TFF för att belysa de neurala mekanismerna bakom omedelbara beteendeeffekter av TFF i hälsa och sjukdom ^1, 3.

Till exempel i två nya studier, Meinzer och kollegor bedömde neurala grunderna för atDCS-inducerade prestandaförbättringar under semantisk word-generationen i yngre ¹⁵ och äldre friska vuxna ^14. I båda studierna, prestanda var överlägsen under atDCS administreras till vänster IFG jämfört med sham stimulering, indikeras med ett kraftigt minskat antal fel under uppgiften. Framför allt, var resultatet för äldre vuxna under semantisk word-generationen, en uppgift som är känd för att påverkas negativt av hög ålder ^25-28, förbättrades upp till nivån av en matchad grupp av yngre vuxna ^14.

Uppgiftsrelaterade fMRI visade att förbättrad prestanda under atDCS jämfört med simulerad injektion var associerad med mycket lokal uppgiftsrelaterat aktivitetsminskning i ventrala delen av IFG i båda studierna (Figur 8). Observera, aktivitet i vänster rygg IFG (en ären i närheten av den stimulering plats) påverkades inte av stimuleringen. I linje med en tidigare studie på friska äldre vuxna som är anställda en annan typ av word-hämtning uppgift (bild namnge ^17), kan dessa aktivitetsminskningar relateras till effektivare neural bearbetning i uppgifts relevant hjärnregioner ^{14, 15.} Dessutom i den äldre gruppen, atDCS reducerat åldersrelaterad förstärkning av höger hemisfär aktivitet och minskad aktivitet korrelerades med beteende förbättring ^14. Dessa resultat visar potentialen i denna nya teknik för att identifiera neurala grunderna för TFF-åtgärder på stimulans webbplats och även i avlägsna områden i hjärnan.

Dessutom har stora nätverkseffekter av atDCS bekräftas i båda studier med RS-fMRI. En graf baserat funktionellt synsätt anslutning avslöjade: (1) förbättrade anslutningsmöjligheter (dvs. förbättrad kommunikation) mellan större knutpunkter i språket system hos yngre vuxna under atDCS jämfört med simulerad injektion (till exempel se figur 9, anpassat från Meinzer et al. ^15). I äldre vuxna, atDCS resulterade i partiell återföring av förändrad nätverksstruktur jämfört med yngre vuxna ^14. Dessa resultat visar att storskaliga nätverkseffekter av stimuleringen kan identifieras med hjälp av denna teknik.

Figur 1. Översikt av kombinerade TFF-fMRI experiment. Två funktionella fMRI skannar förvärvades (en vilande-state scan följt av en semantisk ord generations uppgift). Stimulering (simulerad injektion eller atDCS) började ungefär 1-2 minuter innan den vilande-statliga scan och började till och med språkuppgift (atDCS), eller var rampas ned före starten av den vilande-state scan (shär; beskrivs inte här; för detaljer se Meinzer et al. ^14,15). Ytterligare strukturella avsökningar förvärvades efter slutet av stimuleringen. Stimulering plats (IFG, röd prick i schematisk) bestämdes med hjälp av EEG 10-20 systemet (gul). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. TFF-utrustning. (A) visar standardutrustning för en TFF studien. Detta inkluderar (1) stimulatorn, (2) två standardelektrodkablar, och (3) gummielektroder och svamp fickor för elektroder. (B) visar ytterligare komponenter som krävs för intrascanner TFF: (4) stimulator kabel (5) elektrodkabelnutrustad med motstånd, (6) yttre och (7) inre filterlådor, (8) box-kabel för att ansluta de två filterlådor, och (9) MR-kompatibla gummielektroder. klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Schematisk översikt av TFF installation utsidan och insidan av skannern. Likström stimulator (1) är kopplad med yttre filterlådan med stimulator-kabel (2). Box kabeln går in skannerrummet genom radiofrekvensfilterröret (3). Box kabel bör anpassas till väggen i MRT rum (4) och ansluts till inner filterbox som är placerad inne i magnetkamera (5). Elektroder är knutna till chefen för ämnet och elektroden kabel matas genom den nedre vänstra delen av huvudet polen och ansluts med den inre filterboxen (6). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Uppgifter för installation inne i scannern. (A) visar placering av yttre filterlåda i närheten av radiofrekvensfilterrören och box kabel som sätts in i vänstra filterröret. (B) Närbild av yttre fält som inte är MR-kompatibla. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

ys ">
Figur 5. Placering av inre filterboxen. Denna figur illustrerar läget hos den inre filterboxen inuti skannern (bakre änden). Filter box placeras under en skärm på vilken experimentella stimuli presenteras med hjälp av en projektor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6. Placering av elektrodkabeln. Denna figur visar det stängda huvudet spole av skannern. (A) Motivets huvud är placerat i huvudet spole med elektroder fästatill huvudet med gummielektroder. Elektrodkabel utgångar huvudet spole på den nedre vänstra sidan. (B) elektrod placeras på toppen av huvudet polen när du flyttar motivet i skannern hålet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7. Illustrerar högfrekventa artefakter som induceras av en trasig kabel. (A) Artifact inte syns på axiell skiva av localizer skanning med hjälp av standard kontrasten i MRIcron (www.mrico.com). (B) Artifact blir synlig efter att justera inställningarna kontrast (vita pilar, kontrast 0-20). På samma sätt är inte synlig högfrekventa artefakti funktionella avbildningssekvens med hjälp av standardkontrast (C), men blir synlig efter justering kontrast (D). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Inverkan av atDCS om uppgiftsrelaterat funktionell aktivitet Illustrerar betydande minskningar av aktivitetsrelaterad aktivitet under den semantiska ordet generationens uppgift i den ventrala delen av sämre frontal gyrus (vIFG) hos yngre och äldre vuxna (atDCS <bluff., båda p <0,05). Inga signifikanta skillnader fanns i det vänstra rygg IFG (dIFG) i båda grupperna. Parrende klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9. Effekter av atDCS på vila-statlig funktionell connectivity. Illustrerar regioner som visade förbättrad (röd) eller minskas (blå)-anslutning under atDCS än med placebo stimulering under vilo-state scan (sagittal skivor x = -52/52, coronal skiva z = 5). L = vänster halvklotet, R = höger hemisfär. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10.;. Kontroll av mål-läge (A) Den vänstra sidan av figuren visar var elektroden i hårbotten (Surface tolkning som baseras på T1-viktade bilden med hjälp MRIcron). (B) Den högra sidan av bilden illustrerar projektionen av elektrodcentrum i hjärnan på samma ämne. Orientering på bilden är identisk i båda bilderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Den kombinerade tillämpningen av TFF med samtidig fMRI har visat potential för att belysa de neurala grunderna för de omedelbara effekterna av stimulering över hela hjärnan med hög rumslig upplösning ^13-19. I framtiden kan dessa undersökningar kompletteras med kombinerade EEG-TFF studier, för att utnyttja den överlägsna temporal upplösning av den senare tekniken. Dessutom kan intrascanner stimulering verifiering av korrekt placering av elektroderna i hårbotten (t.ex. med hjälp av T-viktade bilder, se figur 10). Detta kan bidra till att minska oönskade variationer i experimentella studier på grund av felaktig elektrodplacering.

Säkerhet för intrascanner stimulering har fastställts och med rätt inställning, ingen värme induceras under elektroderna (t.ex. Holland et al. ^17, se kompletterande material av denna studie). Stimuleringen endast minimalt påverkar bildenkvalitet. Exempelvis kan TFF medföra försämrad signal-till-brusförhållande och mottaglighets artefakter eller B0 snedvridning fält nedanför elektroderna ^{17, 18,} ​​med den senare begränsas till hårbotten (för översikt se Saiote et al. ²³⁾ något. Men liksom hårbotten artefakter, en obduktion studie av Antal et al. ²⁹ tyckte TFF-inducerade artefakter med jämförbar storlek av fysiologiska BOLD effekter under ett finger tapping uppgift i ventriklarna. Därför är forskare uppmanas att genomföra lämpliga bildkvalitetssäkringsförfaranden ^23. Dessutom kan utrustningen fel (t.ex. trasiga anslutnings eller elektrodkablar) inducerar högfrekventa artefakter i BOLD sekvenser (se figur 7C och 7D). Därför bör särskild försiktighet iakttas vid hantering av utrustning och förscanning kvalitetsarbete. Ersättning av brutna kablar kan förhindra sådan Artifacts.

I det nuvarande protokollet, var den kombinerade användningen av TFF med två fMRI sekvenser beskrivs. För att undvika eventuella interaktioner mellan uppgiftsrelaterade fMRI effekter på efterföljande fMRI sekvenser, och framför allt RS-fMRI ^30, RS-fMRI förvärvats före den semantiska ordet generationens uppgift. Dessutom har ytterligare strukturella sekvenser (t.ex. T1, T2, och diffusion viktade magnetkamera) förvärvats efter de funktionella sekvenser eftersom saltlösning indränkt svamp elektroder kan torka ut med tiden och stimulering kan äventyras om intrascanner TFF administreras vid slutet av en längre skanning session.

Bortsett från användning i experimentella inställningar i friska deltagare, framtida tillämpningar av denna nya teknik är tänkbara i patientpopulationer. Till exempel har kombinationen av TFF med språkbehandling administreras under flera dagar visats förbättra behandlingsresultatet i post-stroke language störningar (afasi) ^{31, 32.} Men medan stimulanseffekter var signifikanta mellan grupper av patienter, upp till 30% av enskilda patienter inte dra nytta av den stimulans ^32. Den kombinerade användningen av TFF med fMRI kan i framtiden göra det möjligt att identifiera patienter som reagerar positivt på en viss typ av stimulans och hjälper till att identifiera patienter som inte visar dessa effekter. Sådana studier är en förutsättning för att förbättra effektiviteten i framtida kliniska försök som kombinerar beteende ingripande med TFF. Andra applikationer kan omfatta utvärdering av de neurala grunderna för välgörande TFF-effekter i demens och dess föregångare eller annan neurologisk eller psykiatrisk sjukdom ^3.

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