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Behavior

인간의 운동 기능의 변조를위한 비 침습 뇌 전기 자극 몽타주

doi: 10.3791/53367 Published: February 4, 2016

Summary

비 침습 뇌 전기 자극은 모두 연구와 임상 목적으로 대뇌 피질의 기능과 동작을 조절 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 인간 모터 시스템의 조절을위한 다양한 뇌 자극 방법을 설명한다.

Abstract

비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS)은 두 연구 및 임상 목적을 위해 뇌의 기능 및 행동을 조절하는 데 사용된다. 특히, NEBS는 transcranially 중 직류 자극 (tDCS) 또는 교류 자극 (TACS)로 적용될 수있다. 이러한 자극 유형은 시간 - 용량 의존적을 발휘하고 정상인 학습 운동 기능 및 능력에 tDCS 극성 특정 효과의 경우. 최근 tDCS는 뇌졸중이나 운동 장애 환자의 운동 장애의 치료를 증가시키기 위해 사용되어왔다. 이 문서 tDCS 및 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)와 일차 운동 피질 타겟팅 단계별 프로토콜, 미리 정의 된 주파수 범위 내에서 임의로인가 전류를 사용 TACS의 특정 형태를 제공한다. 두 개의 서로 다른 자극 몽타주의 설정을 설명한다. 모두 몽타주에서 방출 전극 (tDCS의 양극) 관심의 일차 운동 피질에 배치됩니다. 에 대한양자 운동 피질 자극의 수신 전극이 반대 일차 운동 피질에 위치하면서 일방적 인 운동 피질 자극은 수신 전극은 반대편 이마에 배치됩니다. 장점과 피질 흥분성 학습 포함한 운동 기능의 조절을위한 각 몽타주 단점뿐만 아니라 안전성과 내약성 눈부신 양태로서 설명된다.

Introduction

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3 - 비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS), 그대로 두개골을 통해 뇌에 전기 전류의 투여는 뇌의 기능 및 동작 1을 수정할 수 있습니다. 신경 생리 학적 및 행동 효과로 이어지는 기본 메커니즘은 여전히​​ 필요하다 이해 NEBS 전략의 치료 가능성을 최적화합니다. 다른 실험실에서 응용 프로그램과 자극 절차의 전체 투명성의 표준화 활동의 제안 된 메커니즘의 결과 및 평가의 신뢰성 해석을 지원하는 데이터의 비교를위한 기초를 제공한다. 전류 자극 번갈아 두개 직류 자극 (tDCS) 또는 두개가 (TACS)는인가 전류의 파라미터가 다릅니다 tDCS는 두 개의 전극 (양극 및 음극) (2) 사이의 단방향 일정한 전류 흐름 구성 - 6 동안의 TACS은인가 교류 전류를 사용 에서특정 주파수 (7). 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)는 임의의 주파수에서인가되는 교류 전류를 사용 TACS의 특별한 형태 (예., 100-640 Hz로) 빠르게 변화하는 자극 강도 발생 극성 관계 4,6,7 효과를 제거하는 단계를 포함한다. 자극 설정 자극 잡음 스펙트럼 임의로 (보통 사용되지 않는) 1mA 기준 강도 주위 변경 오프셋 포함하면 극성 만 관련이있다. 이 문서의 목적을 위해, 우리는 밀접 연구실 (6)으로부터 다음과 같은 공보 최근, 모터 시스템에 tDCS 및 TRNS 효과를 이용한 작업에 초점을 맞출 것이다.

TRNS의 작용 기전은 더 적은 tDCS의보다 이해하지만 후자의 가능성이 다릅니다. 이론적 확률 공진 개념적 프레임 워크는 TRNS 번째를 변경하여, 신호 처리 이득을 제공 할 수있다 신경계 자극에 의​​해 유도 된 잡음을 도입즉 신호대 잡음비 4,8,9. TRNS는 주로 약한 신호를 증폭 할 수있어 작업 관련 뇌 활동 (내인성 노이즈 9)를 최적화 할 수 있습니다. Anodal tDCS는 시간 분에 대한 자극의 지속 시간을 outlasting 효과와 대뇌 피질의 흥분 (MEP) 자연 신경 발사 속도 (10)의 변경에 의해 표시 또는 증가 모터가 잠재적 유발 진폭이 2 증가합니다. 장기 강화로 알려진 시냅스 효능 오래 지속 증가는 학습과 기억에 기여할 것으로 생각된다. 사실, anodal tDCS 반복적으로 약한 시냅스 입력 (11)에 의해 활성화 모터 대뇌 피질의 시냅스의 시냅스 효능을 향상시킵니다. 이 활동에 의존하는 프로세스의 전제 조건으로 시냅스 협력 활성화를 제안, 13 - 따라서, 개선 운동 기능 / 기술 습득은 종종 자극 모터 훈련 (11)와 공동 적용될 경우에만 공개됩니다. 그럼에도 불구하고, C의 증가 사이의 인과 관계ortical 흥분 한 손에 (발사 속도 또는 MEP 진폭의 증가) 및 개선 된 시냅스 효능 반면에 (LTP 또는 운동 학습과 같은 행동 기능) 증명되지 않았습니다.

NEBS는 인간의 운동 기능 1을 조절하는 안전하고 효과적인 방법으로 증가하는 관심을 끌고있다 일차 운동 피질 (M1)에 적용. 6,14,15 - 신경 생리 학적 효과 및 동작 결과는 자극 전략 (예 tDCS 극성 또는 TRNS), 전극의 크기 및 몽타주 (4)에 의존 할 수있다. 제외 주제 고유의 해부학 적 및 생리 학적 요인의 전극 몽타주 크게 전계 분포에 영향을 미친다 및 피질 (16) 내에서 확산 전류의 서로 다른 패턴을 초래할 수 - 18. 전극에인가되는 전류의 크기의 강도 이외에 3 전달 전류 밀도를 결정한다. 공통 전극 몽타주인간 모터 시스템 연구 (도 1)을 포함한다 : 1) anodal tDCS 관심 M1과 반대측에 위치 이마 음극 상에 위치 애노드 일방적 M1 자극 등; 이 방법의 기본 개념은 관심 6,13,19의 M1에 흥분의 상향 조절이다 - (22) 2) anodal tDCS 양측 M1 자극 (또한 관심 M1 및 M1 5,6,14,23,24 반대측에 위치하는 음극 상에 위치 애노드) "bihemispheric"또는 "이중"자극이라 등; 이 방법의 기본 아이디어는 반대 M1에 흥분을 하향 조절하면서 관심의 M1에 흥분의 상향 조절에 의해 자극 혜택을 극대화 (즉, 두 M1s 사이의 반구 억제 변조); 3) TRNS은 단지 위에서 언급 일방적 M1 자극 몽타주 investig왔다ated 4,6; TRNS 효과 향상이 장면 흥분은 100-640 Hz로 (4)의 주파수 스펙트럼을 검색 결과로되었다. 뇌 자극 전략 전극 몽타주 선택 임상이나 연구에 설정 NEBS의 효율적이고 안정적​​인 사용 중요한 단계를 나타낸다. 인간 모터 시스템의 연구에 사용 된 방법론 및 개념적 측면을 설명하는 여기 이러한 세 NEBS 절차를 상세히 설명한다. 일방적 또는 양자 tDCS와 일방적 TRNS 재료는 동일 (그림 2)입니다.

그림 1
그림 1. 전극 몽타주와 별개의 NEBS 전략 현재 방향. 일방적 anodal 경 두개 직류 자극 (tDCS)의 경우 (A)는 양극 t 위에 위치 관심의 일차 운동 피질과 음극을 통해 중앙그 위에 궤도 영역을 반대측. 양자 운동 피질 자극, 양극과 음극의 경우 (B)은 하나의 운동 피질을 통해 각각 위치한다. 양극의 위치는 anodal tDCS에 대한 관심의 운동 피질을 결정한다. 일방적 두개 랜덤 잡음 자극 (C) (TRNS)은, 하나의 전극은 운동 피질과 반대측 문헌 궤도 영역 위에 다른 전극 ​​위에 위치한다. 전극 사이의 전류 흐름은 검은 색 화살표로 표시된다. 양극 (+ 적색), 음극 - 교류 (파란색), (+/-, 녹색) 현재. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Protocol

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윤리 문 : 인간 연구 연구 항목 전에 참가자의 서면 동의서가 필요합니다. 참가자 모집하기 전에 관련 윤리위원회의 승인을 얻습니다. 확인 연구는 헬싱키 선언에 따라 있습니다. 여기에보고 된 대표적인 연구 결과 (그림 4)는 59 WMA 총회, 서울, 2008 년 10 월에 의하여 개정과 프라이 부르크 대학의 지역 윤리위원회의 승인 헬싱키 선언에 따라 수행 된 연구에 기초한다. 모든 피험자는 연구 항목 6 전에 동의서를 작성했다.

1. 안전 검사

  1. 비 침습적 뇌 자극 (3), 예를 들어, 잠재적 인 금기의 참가자를 화면., 설문 조사 (25)를 사용하여.

2. 모터 코어 텍스 현지화

  1. 두 디 중 하나를 사용하여 참가자의 손 운동 피질을 찾습니다또는 측정 테이프 (26)와 EEG 10/20 국제 시스템을 기반으로 표준 M1 위치 (C3 / C4)에 위치하여 MEP를 유도 된 경 두개 자기 자극 (TMS)에 의한 관심의 근육의 뇌 표현을 위치하여 stinct 접근, .
  2. TMS 유도 MEP 기록에 대한 신용 카드, 휴대 전화, 일반적으로 금속 물체를 포함하여, TMS 자기장에 의해 영향을받을 수있는 모든 개체를 제거하기 위해 참가자를 요청합니다.
  3. 편안하게 앉아 참가자를 요청합니다.
  4. EMG 증폭기 및 소프트웨어 인터페이스를 사용할 경우의 신호 구성 및 취득에 사용되는 컴퓨터 간의 연결을 확인한다.
  5. EMG 앰프의 전원을 켜고 EMG 전극 케이블을 연결합니다.
  6. 부드럽게 전극이 배치됩니다 손의 지역에서 피부 준비 페이스트 마찰에 의해 청소 참가자의 스킨입니다. 깨끗한 거즈 패드 초과 제거합니다.
  7. 의 손 근육에 배꼽 건 몽타주에서 EMG 표면 전극을 부착관심 (예., M. 납치범 무지 오른쪽의 브레비스) 및 접지 전극을 연결 (예., 팔뚝에). 연구의 목적은 사용하는 손 근육 판정한다.
    : 재사용 전극 것은 참가자의 피부에 부착되기 전에, 전극 표면에 도전성 페이스트의 소량을 적용 할 필요가있다.
  8. MEP 데이터 저장이 필요한 경우 (선택 단계) MEP 획득을위한 기록 소프트웨어를 시작한다.
  9. EMG 임피던스 값을 확인합니다. 임피던스는 20 <킬로 옴 있는지 확인합니다.
  10. 자기 자극기의 전원을 켜고 해당 "충전"버튼을 눌러 커패시터를 충전.
  11. 반구 균열의 참가자 두피에 그림-의 여덟 TMS 코일을 놓고 운동 피질 영역으로 이동 (약 C3 / C4 EEG 10/20 국제 체제의 배치). 반구 fissu를 기준으로 45 -50 오 각도로 TMS 코일을 잡고27,28 재, 핸들 (29)의 후단으로부터 전방 피질의 전류 흐름을 생성 거꾸로 배향.
    참고 : 두 개의 별개의 TMS 코일이 운동 피질의 현지화에 사용되는 : 그림 - 중 - 팔 또는 원형 코일. 가능하면 더 초점 뇌 자극 (30)과 대뇌 피질의 흥분 (31)의 측정의 더 큰 신뢰성을 제공하기 때문에, 그림-의 개의 코일을 사용합니다.
  12. 자기 자극기 (표시부에 표시) 충전되면, 트리거 버튼을 누르거나 풋 스위치 또는 자동 소프트웨어 프로그램으로 스테핑하거나 자극 방전. 이 이후 참가자의 두피 위에 배치 연결된 TMS 코일을 통해 하나의 TMS 펄스를 제공합니다. 기본 TMS 펄스 설정 (. 예를 들어, 100 μs의는 단상 자극에 대한 유도 전류 및 800 μs의 감쇠 시간의 상승 시간, 이상성 자극에 대한 짧은 붕괴 시간) 장치 (펌웨어)에 따라 다릅니다.
  13. 저 자극의 강도로 시작합니다 (예., 자극의 자극 강도 컨트롤러 노브를 사용하여 45 %의 출력 강도를 설정) 및 EMG 증폭기에 보이는 유럽 의회 의원을 감시.
    1. MEP 분명히 본 될 때까지 볼 MEP 증가 2-5 % 단계의 자극 강도가없는 경우 (예., 0.5 MV 진폭). 트리거 버튼을 누르거나 펄스 전달이 자동화되지 않으면 풋 스위치를 활성화함으로써 자극을 반복한다. 자극이 약간 더 강한 것입니다 참가자와 그 사지의 움직임, 얼굴 트와 눈을 깜박 알려 것이 예상된다.
      : 뇌의 흥분에 저주파 자극 효과를 피하기 위해 5 초 펄스들 사이의 최소 간격을 설정.
  14. 하나의 TMS 펄스의 응용 프로그램 다음 가장 큰 MEP 응답으로 자리를 찾기 위해 초기 자극 사이트 주위에 1cm 단계에서 반경 방향으로 코일을 이동합니다. 거기에서, 고정 코일을 이동 다시 시작"핫스팟"(최대 MEP 진폭 대뇌 피질 영역).
    참고 : 캡 NEBS 전극 배치 및 핫 스폿 위치가 손실 될 수 있습니다 제거 할 필요가 있기 때문에 헤드 캡의 사용은 (. 예를 들어, 그리드 표시에 사용) 현지화 절차는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
  15. (MEP는 여전히 존재해야합니다) 자극에 자극 강도 컨트롤러 노브를 사용 씩 단계적 약 2 %에 자극 강도를 줄일 수 있습니다. 이는 supramaximal 자극 부정확성을 방지 할 수 있습니다. 핫스팟 약 1cm 단계에서 방사상으로 코일을 이동 MEP 크기를 확인하여 핫스팟을 재확인. 핫스팟은 여전히​​ 가장 크고 가장 일관 MEP 진폭에 해당한다.
    참고 : 핫스팟을 찾을 어려운 경우 자발적으로 관심의 근육을 수축 참가자에게 문의 (. 예를 들어, 높은 자극 강도에서 더 MEP 존재). 이렇게함으로써, 자극의 강도는 감소된다 MEP를 유도하는 데 필요한중요한 피질 자극 위치를 쉽게 확인할 수있다. 이 방법을 사용하는 경우, 해당 사이트의 자극을 찾은 후 근육 긴장 근육 나머지 때 안정적인 MEP들 찾을 수 있도록 자극 강도를 조정하는 참가자에게. 핫스팟을 찾아 진행합니다.
  16. 비 영구적 인 피부 마커 핫스팟 위치와 코일의 방향을 표시합니다.
  17. 양자 M1 자극의 경우, 반복 2.11 반대측 사지에 대한 2.16 단계를.

3. NEBS 전극 제조

  1. 고무 전극에 케이블을 연결하고, 스폰지 가방 내부에 전극을 배치합니다. 확인 전극 크기와 스폰지 가방 크기가 일치하지합니다. 재료는 표준 크기 (예., 5 × 5 cm 2, 5X7 센티미터 2)에서 시판되고있다.
  2. 등장 성 염화나트륨 용액으로 양쪽에 스폰지 가방을 만끽하지만, 소금 다리를 방지하거나 자원 봉사에 떨어지는하는 과도한 균열을 방지.
    1. 이 단계는 optiona입니다L은 대신 고무 밴드 붕대를 사용할 때, NaCl 용액의 누출을 방지 비도 전성 고무 스펀지 커버 내부 전극과 스폰지 잡화를 배치한다.
      참고 : 스폰지 가방 또는 고무 스폰지 커버를 사용하여, 즉, 또는 도전성 페이스트와 고무 전극을 커버하고 참가자의 머리에 직접 배치합니다.

4. NEBS 전극 위치 (그림 1)

  1. 머리 마킹 (들) 모터 대뇌 피질의 핫스팟을 나타내는을 찾아 주변 머리를 분리합니다.
  2. 전도 부드럽게 40~50% 알코올이나 피부 준비 페이스트를 적신 면봉으로 헤드 마크 주위의 피부 영역을 문질러 전극 위치 전에 피부를 깨끗하게 개선합니다. 피부를 긁지 마세요! 등장 NaCl 용액 다시 면봉하고 깨끗한 공간이 초과 제거합니다. 이후 지역을 건조.
    참고 : 계속 표시 (들)을 표시해야합니다 머리를합니다; 필요한 경우 발언. 관심있는 M1 (이자의 손에 반대측)에 대한 마킹 헤드 다음 하나의 전극을 배치합니다. 피부에 직접 접촉 가능한 스폰지 가져. 자극 및 / 또는 태스크 실행 중에 장애를 피하기 위해 참가자의 뒤쪽 전극 케이블 놓고 NEBS 장치 연결을 쉽게하기.
    참고 : 전극 아래에 머리를 젖은 받아야합니다. 과도한 모발 가습 경우에는 과잉 흡수 종이 타월 또는 손을 사용한다.
    anodal tDCS 관심 모터 피질 핫스팟 배치를 들어 전극 (흥분성의 증가는 바람직하다) 일반적으로 적색 케이블에 연결된 양극에 해당합니다. 음극 (일반적으로 흑색 또는 청색 케이블에 연결된) 대향 supraorbital 영역 또는 M1 (아래 참조)에 배치된다. 전형적인 프로토콜 극성 특이성은 없지만, 종래의 전극 배치로 인해 교번 CURREN에, TRNS 대해 동일t 흐름. 자극 설정 오프셋 자극을 포함 할 경우, 특정 위치는 중요 할 수있다.
  3. 일방적 인 M1 자극 장소 (anodal tDCS에 대한 : 음극) 제 2 전극 반대측 위에 궤도 영역 이상은 (EEG 10/20 국제 시스템에서 FP2를 전극에 해당). 케이블이 참가자의 뒤쪽으로 지향되어 있는지 확인합니다.
  4. 양자 M1 자극에 대한 단계 4.4를 건너 뜁니다. 반대 M1의 연구에서 사용 된 사지에 동측 마킹 헤드 다음 (음극 anodal tDCS에 대한) 제 2 전극을 배치합니다. 케이블이 참가자의 뒤쪽으로 지향되어 있는지 확인합니다.
  5. 다음 두 전극을 안정 전후방 방향으로 원형으로 머리를 보호하기 위해 남아있는 붕대를 사용 M1 전극을 안정 메디 오 - 측면 방향으로 원형 탄성 붕대로 두 번 머리를 커버.
  6. bandag의 끝을 해결하기 위해 접착 테이프를 사용하여이자형.
  7. 참가자의 목 또는 셔츠에 접착 테이프로 케이블을 고정.
  8. NEBS 장치에 전극 케이블을 연결합니다.

그림 2
비 침습적 전기 뇌 자극 프로토콜에 사용되는 NEBS 프로토콜에 사용되는 그림 2. 재료. 기존의 재료는 NEBS 장치, 전극 케이블, 전도성 고무 전극, 뚫린 스폰지 가방, 고무 스폰지 커버 (옵션), 등장 NaCl 용액 및 붕대. 포함 하세요 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

5. 자극

  1. NEBS 장치에서 전환합니다.
  2. 자극 유형 (tDCS 또는 TRNS), 강도 (예., 1mA, 1.5 mA 또는 2mA), 기간 (예., 10-40m에 대한 NEBS 장치 설정을 조정합니다에서), (자극과 최대 강도, 일반적으로 8-15 초 시작 사이의 시간), 및 자극 유형과 관련된 추가 요소 TRNS에 대한 (예를 들어, 주파수 스펙트럼) 아래로 끌어 올렸합니다.
    참고 : 종래 가짜 자극 즉시 아래로 램핑 다음 늘리고 포함되어 있습니다. 따라서, 참가자의 감각 자극이 있지만 자극 시간은 뇌 기능에 지속적인 영향을 발휘하기에 충분하지 않다. 일부 NEBS 장치는 연구 특정 주제 코드를 입력하여 참가자와 연구자의 블라 인 딩을 할 수있는 학습 모드를 포함한다. 이 코드는 자동으로 자극 설정을 결정합니다. 대안 적으로, 두번째 실험자는 각 자극 세션 설정을하고 자극 전도 실험에서 디스플레이를 커버 할 수있다.
  3. NEBS와 관련된 잠재적 인 부작용에 ​​대해 참가자에게 알리십시오. 일반적인 부작용은 피부 가려움증 / 따끔 거림이나 감각 유엔 레코딩을 포함전극, 두통, 불쾌감 32 derneath. 감각을 굽기 피부에 좋지 전극 접촉의 표시 일 수있다.
  4. 자극을 시작합니다.
    참고 : 일반적인 자극 기간은 대뇌 피질의 흥분에 변화를 (대표 결과 섹션 참조) 조사 보고서에 따라 약 10 ~ 20 분 동안 지속됩니다. 경험적으로, 최대 자극 시간은 40 분 (3)로 하였다.
  5. 최대 자극 올렸 동안 자극의 연속성을 확인합니다. 임피던스가 너무 높거나 전극을 피부에 접촉 불량 인 경우, 자극은 자동적으로 종료 할 수있다.
    주 : 임피던스가 너무 높거나 자극 동안 불편 함을 증가 참가자보고 더 자극 부위에 전극 편집증 또는 도전성 매체를 추가 예에 의한 임피던스를 감소하려고 경우. NaCl 용액은 배치 후 O 스폰지 직접 주사기를 사용하여 첨가 될 수있다n은 머리.
    참고 : 안전을 위해 일부 장치는 자극에 걸쳐 임피던스를보고합니다. 임피던스가 특정 임계 값에 도달하면 NEBS 장치는 차단 할 수있다 (예. 55의 kOhms을).
  6. NEBS는 모터 작업의 실행과 공동으로 적용되는 경우 자극이 램프 업하고 참가자가 자극 편안한 느낌이 후, 시험 / 훈련을 시작합니다. 경우 연구는 반드시 참가자가 자극 기간 동안 착석하고 깨어 유지하게하고 자극이 끝날 때까지 기다린 자극하는 동안 모터 작업을 포함하지 않습니다.
  7. , 자극의 부작용에 대한 참가자 확인 예., 참가자를 묻는 직접 표준화 된 설문지 (32)을 나눠 또는가. 자극의 여러 일을 포함하여 연구의 경우, 일 사이에 부작용을주의 깊게 살펴.
    참고 : 효능을 멀게의 평가는, 각각의 자극 sessio 후 참가자에게 들어n은 참가자가 시행되는 자극 유형 (가짜 / 상태) 생각합니다. 실험도 멀게되면 실험은 참가자의 자극 유형에 관한 그의 추측 참고 있었다. 올바른 추측 (33)의 비율을 확인하기 위해 실제 자극 유형 응답을 비교한다.
  8. 이러한 40-50% 알코올 등의 위험하지 않은 물질과 전극과 스폰지를 소독. 철저히 후 물에 헹군다. 자료 저장하기 전에 건조 시키십시오.

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Representative Results

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인간의 모터 시스템에 NEBS의 효과를 조사하기 위해이 적절한 결과 측정을 고려하는 것이 중요합니다. 모터 시스템의 한 가지 장점은 전기 생리 도구 피질 표현 접근성이다. 모터 전위 자주 모터 피질 흥분성의 지표로 사용된다 유발. 29 μA / ㎠의 전류 밀도에서 anodal tDCS 9 분 이상 도포 한 후, 모터 피질 흥분성 건강한 지원자 19,21,22 (또한도 3 참조)의 대부분에 적어도 30 분 동안 증가된다. Cathodal tDCS는 대부분 반대 (흥분-감소) 또는 전혀 효과가 19, 22이 발생합니다. 그러나, 최근 22 바와 같이, anodal 및 cathodal tDCS 대한 효과의 반대 방향을 나타내는 일부 과목 응답 방향에 약간의 변동이있다. 이는 샘플 크기 계산에 고려되어야연구 NEBS를 사용. 흥미롭게도, M1 흥분의 비교 변화는 일방적 인 및 양자 tDCS 5,23 후 발견하고, 간단한 운동 기능 마찬가지로 각각의 자극 유형 5 직후 향상되었다. 양자 M1 몽타주를 사용하여 반대측 M1의 흥분의 추가 하향 조절 모터의 동작에 특정 혜택 (아래 참조)을 발휘 여부 따라서는 현재 조사 중입니다. 반면에, 휴식 상태의 fMRI는 분명히 다른 대뇌 피질의 네트워크 변경을 표시 : 일방적 tDCS가 작동 전두엽에 연결, 정수리와 소뇌 영역 (34)을 조절하면서 양자 tDCS는, 기본 및 보조 모터와 전두엽 영역에서 기능 연결을 변조한다.

TRNS는 최근 대뇌 피질의 흥분 (4)을 조절하는 도구로 개발했다. 교류 TRNS으로 인해이만큼이 (극성 특이성없이 적용된다더) 자극 강도의 오프셋 (offset)되지 않습니다. 그러나, TRNS의 효율이 낮은 주파수보다 더 강력한 효과를 나타내는 고주파 (100-640 Hz로)으로인가 잡음 스펙트럼에 의존하는 것으로 보인다 (<100 Hz에서) 4. 때 직접 일방적 anodal의 tDCS에 비해 (MEP 진폭의 변화로 측정) M1 흥분의 비슷하지만 약간 더 긴 지속 증가는 일방적 TRNS (그림 3) 이후에 발견되었다.

그림 3
다른 NEBS 전략 후 운동 피질의 흥분의 그림 3 시간 코스. MEP 진폭 전에 시간의 함수로 일방적 anodal 두개 직접 자극 (tDCS) 또는 두개 랜덤 노이즈 자극 (TRNS)의 10 분 후에 도시는 차에 적용 29 μA / cm 2 (1mA / 35cm 2)의 전류 밀도에서 운동 피질. 오차 막대는 indicat전자 표준 오류. TRNS는 tDCS를 anodal에 비해 모터 피질의 흥분에 비슷한 효과를 발휘합니다. 기본 수준으로 MEP 진폭 복귀 후 약 anodal tDCS 및 TRNS 90 분 후 50 분. Terney에서 외. (2008) 4 권한. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

연구 설계의 이질성에도 불구하고, 일반적인 개념은 운동 기능에 tDCS 및 TRNS의 효과를 테스트 NEBS 시험에서 진화를 시작합니다 동시에 교육 / 테스트를 적용 할 때 NEBS 모터 성능이나 능력에 영향을 미친다. 직렬를 Reacti에 38 - Anodal tDCS 및 TRNS 모든 학습 암시 모터 시퀀스 4,35을 향상 것으로 나타났다 일방적 인 M1 자극 또는 훈련 중에 양자 M1 자극으로 적용 anodal tDCS로 적용시간 작업 39. 마찬가지로, 모터 훈련 중에 적용 일방적 anodal의 tDCS는 명시 적 운동 학습 패러다임 (40)에 학습의 속도를 증가 나타났다. 그러나, 암시 적 및 명시 적 운동 학습에 cathodal 자극의 효과가 다른 것 같다 : 훈련 도중 cathodal tDCS 크게 암시 운동 학습 (35) 동안 학습 순서에 영향을 미치지 않았지만, 그것은 부정적인 명시 모터 (40) 학습에 영향을 미치는 것으로보고되었다. 이 불일치하는 이유는 추가 조사가 필요합니다.

더 복잡한 모터 기술에 초점을 맞추고 이전 조사에서 13, 20 학습 크게 향상 visuomotor 기술을 훈련하는 동안 일방적 인 M1 자극으로 적용 여러 일 anodal tDCS를 통해 학습. 스킬 이동 속도의 함수 (즉, 속도 정확성-절충)와 같은 이동 정밀도의 변화에 의해 결정 하였다. 놀랍게도, 직접 비교 일방적 인 및 양자 M1 anodal tDCS 일방적 TRNS visuomotor 단어와 문자 추적 작업 6 (그림 4A)에서 배우는 모든 향상된 기술 두 전극 몽타주 자극 유형의. 메커니즘에 대해서는, 그것과 tDCS TRNS 행동 같은 메커니즘에 의해, 현재 동작 여부를 알 수 없다. 그러나, 세션 명확하게 tDCS 및 TRNS 사이에 차이 내에서 기술 향상의 시간 코스 : 일방적 tDCS 자극이 시작된 직후 기술 향상에 큰 효과를 발휘. 반면, 양자 tDCS 및 TRNS 천천히 세션 (그림 4B) 동안 기술 향상을 강화. 이 차이는 NEBS 유형 및 모터 학습 과정 사이에 일시적으로 특정 상호 작용에 가리 킵니다. 신경 장애 미래 정상인에 모터 시스템의 연구뿐만 아니라 환자에 대한 자극 유형을 선택할 때 고려되어야한다.

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다른 NEBS 전략으로 교육 및 확대에 의한 모터 기술의 그림 4. 향상. 자극 그룹당 모터 훈련 삼일 동안 모터 기술의 (A) 변경. 스킬 크게 허위 자극 대조군에서는 시간이 지남에 따라 증가하고, 각 NEBS 전략에 의해 더욱 증대된다. 운동 학습의 하위 구성 요소의 (B) 분산 형 플롯. 모든 자극 기는 허위 자극 대조군에 비해 유의하게 더 큰 전체 운동 학습을 제시한다. . 가짜 제어 및 두개 랜덤 노이즈 자극 (TRNS)에 비해 자극의 발병 후 스킬 즉, 초기의 변화, - 만 일방적 anodal 경 두개 직류 자극 (tDCS)는 모터 학습에 더 즉각적인 효과를 보여준다. DC : M1-SO = 일방적 tDCS. DC : M1-M1 = 양자 tDCS. RN : M1-SO = 일방적 TRNS. * p <0.05, ** p <0.01. 오차 막대 = 평균의 표준 오차. 프 리처드 외. (2014) 6 권한에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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이 프로토콜은 NEBS, anodal tDCS에 대한 구체적 일방적 인 및 양자 M1 자극하고, 일방적 TRNS를 사용하여 학습 일반적인 재료와 손 운동 기능의 조절과 기술에 대한 절차 적 단계를 설명합니다. (특정 뇌 영역에 몽타주 또는 전류 타입 특정 효과 (), 안전성, 내약성 눈부신) 모터 학습 방법론 양태의 맥락에서, 예를 들면., 인간 모터 시스템 연구 특정 NEBS 프로토콜을 선택할뿐만 아니라 개념적 측면 전 고려 될 필요가있다. 이점들 및 세 가지 전략의 한계를 표 1에 나타내었다.

NEBS 유형 이점 한정
일반 tDCS 및 TRNS을 anodal하기 안전한

관리하기 쉬운
cortica에 영향을 Outlasting난 흥분 (90 분까지)
모터 적자와 건강한 피험자 및 환자의 학습 운동 기능 및 모터 기술의 개선
기능 focality는 특정 작업과 NEBS의 조합에 의해 도달
구조 자극 focality 제한 및 전극 크기에 의해 정의된다 몽타주
큰 전극 관심 M1에 인접한 대뇌 피질의 영역을 자극 할 수있다
일방적 인 M1 자극
(tDCS)
극성 특이성 (관심 M1의 흥분성 변화의 방향이 선택 될 수있다) 전극 (음극)을 받기 활성 전극이며, 기본이되는 뇌 영역에 혼란 효과를 발휘 할 수있다
높은 자극 강도에서 눈부신 어려운 참가자 (예를 들면 전류 밀도> 40 μA / cm 2,.,> 1mA / 25cm 2)
양측 M1 자극
극성 특이성 (관심 M1의 흥분성 변화의 방향이 선택 될 수있다)
(반대 M1에 영향을 감소 원하는) 관심 M1의 흥분성 증가뿐만 아니라 반구 연결의 발음 변조
높은 자극 강도에서 눈부신 어려운 참가자 (예를 들면 전류 밀도> 40 μA / cm 2,.,> 1mA / 25cm 2)
때문에 전극의 근접 전류 분로의 높은 위험
일방적 인 M1 자극
(TRNS)
최소 부작용
눈부신 향상된 참가자
극성 특이성 없습니다
흥분 및 모터 동작에 영향 고주파 스펙트럼 (100-640 Hz로) 더 견고

NEBS 비 침습적 전기 뇌 자극; M1, 일차 운동 피질; tDCS, 경 두개 직류 전류의timulation; TRNS, 두개 랜덤 노이즈 자극

표 1 : 장점과 tDCS 및 TRNS의 제한.

보기 주제의 방법론 점은 항상 설문 조사 또는 표준화 된 인터뷰를 사용 NEBS 3,41에 대한 금기 사항에 대해 철저하게 검사를해야한다에서 (예., 용골 등., 2001 25). 이들은 tDCS 및 TRNS 사이에 차이가 없습니다. 절대 NEBS의 금기 사항은 다음과 같습니다 : 1) 두개골의 변형을 인해 골절로,이 전류의 흐름에 영향을 미칠 예상치 못한 부작용을 촉진 할 수있다로,. 2) NEBS 부정적인 의료 기기의 기능에 영향을 미칠 수 있으므로, 의료 기기, 예를 들어, 인공 와우 뇌 자극기 이식. TMS의 사용을 위해 (운동 피질의 현지화에 대한 예. (프로토콜 2 단계 참조)) 머리 / 목 지역에서 강자성 개체 (예., 파편은 수술 클립)도 그 대상으로, 절대 금기를 나타냅니다S는 자계 탈구 및 참가자 위험이 될 수있다. 추가 제외 기준은 선택 사항이며 연구 목적에 따라 달라집니다. 일반 추가 금기 사항은 다음과 같습니다 85 세 이상 1) 나이; 2) 임신; 대부분의) 머리에 대한 만성 피부 질환 (3) 역사; 4) 이전 두뇌 자극 프로토콜에 악영향; 5) 자주 또는 심한 두통, 예를 들어, 편두통의 역사.; 간질 발작의 6) 역사; 7) 페이스 메이커. 심박 참가자 10 cm의 최소 안전 거리 자극 위치 및 기능 장애를 방지하는 조정기 사이에 유지되어야한다.

절대 금기 중 하나가 적용되는 경우 주제는 자극해서는 안된다. NEBS 장치 mA 범위에서 최대 출력을 가져야 안전상의 이유로 배터리 구동되어야하며, 충전기는 전원 콘센트에 접속되어 사용되어서는 안된다. 프로토콜에 따라 적용 할 때, tDCS 및 TRNS는 t 잘 보통32 olerated. 자극의 부작용은 가려움증, 따끔 거림 감각, 두통 자극 지속 시간을 outlasting 또는 편두통 공격을 트리거를 포함 할 수있다. 그러나 (다중 순차 세션 포함) 약 16.000 tDCS 세션에서 부작용이보고되었다 더 심각한 tDCS (Bikson M., 개인 통신, 2015; 준비 메타 분석). 부작용주의 자극 전극 제조 및 배치함으로써 최소화 될 수있다. 여기에는 다음이 포함 전도성 페이스트 또는 식염수를 적신 스폰지로 덮여 고무 전극과 자극 (늘리고 아래로 램핑 오랜 기간 아웃 3. 페이딩과 같은 전도성 매체를 통해 자극을 적용 1. 피부 병변에 대한 검사, 2 (예., 15 초)이) 적은 부작용과 연관 4 임피던스 제어된다. 참가자들은 일반적으로 곧 자극을 올렸 후 전극 아래 피부 감각에 길들. 대부분의 경우 피부 감각에 TRNS으로 덜 여부에있다 모든 tDCS에 비해 인식 (결과적으로 가짜 및 TRNS에 대한 올바른 조건 추측 비슷한 비율 tDCS와 올바른 조건 추측의 높은 비율에 비해) 6. 이 참가자의 최적의 블라 인 딩이 중요한 연구에 유리할 수있다. 그러나, 연구 참가자의 대다수에서 성공적으로 적어도 매체 자극 강도 32,42 저가로, 실제와 가짜 tDCS 사이에 눈을 멀게했다. 이것은 대뇌 피질의 기능이 변경되지 않습니다 분명히 인해 짧은 램핑 업의 구현과 따끔 거림 감각 (42)를 일으키는 가짜 모드에서 몇 초 동안 가능성이 있지만. 따끔 거림 감각을 이끌어 자동으로 몇 초 후에 자극을 해제 "활성"가짜 모드를 사용하면 비교 단순히 참가자의 머리에 전극을 배치하는 참가자와 연구자 모두를 멀게하고, NEBS 장치를 시작하지 않는 우수한 방법 일 수있다 .

출판물 비교 용 t가 "> 전류 밀도, 전극의 크기를 나타낸다 (예., 구역 타겟팅) 전극 배치 늘리고 용 전극과 피부 기간과 도전성 기판 아래 자극 기간 및 부작용. 그것은 주목해야한다 단독 자극 강도 선언 참가자에게 전달 전류 밀도를 추정하기에 충분하지 않다. 전류 밀도의 계산은 자극 강도를 나눔 (예., 1mA 1.5 mA, 2mA) 자극 면적. 예를 들어, 자극 강도가 1mA 인 전극의 크기는 16cm이 경우 예상 전류 밀도 0.0625 mA / cm 2 (예., 1mA / 16cm 2 62.5 μA / cm 2).

뷰의 개념적 관점에서 모터 시스템의 여러 영역 피질 영역 피질 표면 또는 원격 네트워크 효과를 통해 43,44 부근 직접 경우 NEBS 의해 접근 (26)을 사용하여 어느 위치 할 수 있습니다. 건강한 참가자에 후자의 방법을 사용하여 TMS 유도 유럽 의회 의원을 사용하는 것에 비해 빠르고 쉽게 등이지만, TMS는 관심의 개별 대뇌 피질의 모터 표현을 지역화하는 우수한 정확도를 제공한다. 필요성 또는 10/20 시스템에 비해 TMS 핫스팟을 사용 기능적 이점은 아직 검증되지 않은 반면, TMS 유도 MEP들은 M1과 피라미드 요로의 기능적 완전성을 보여준다. 뇌 병변이있는 환자 ​​(예를 들면, 뇌졸중) TMS 유도 MEP들 따라서 우선적으로는 주로 모터 출력을 생성 할 수있다 병변의 크기 및 위치, 및 보조 모터 영역으로 인해 시프트 될 수 있으므로, 모터 피질 표현을 찾는 데 사용한다.

NEBS 전극 크기 또는 몽타주 자극 자체의 제한된 focality 결과, 관심 영역에 인접 피질 영역에 영향을 미칠 수있는 (46, 47)를 응축 할 수있다. 한 손에, 기능적 영상 연구는 양자 M1 tDCS 대 이후 일방적 다른 네트워크 변경을 밝혀 : 그러나, 작업을 결합하여 증강되는 특정 시냅스 (11) 또는 네트워크의 작업 특정 활성화에 의해 얻어진 기능 focality은 / 자극과 훈련 (46) 더 중요 할 수있다 각각 14, 15 TRNS 대 또는 tDCS. . 하나의 운동 기능에 대한 긍정적 인 효과를 주장 할 수 자극 타입 / 몽타주 직접적인 비교와 거의 조사 기준 : 한편, 모터의 동작 예에 anodal tDCS 및 TRNS의 순 효과는 학습 유사한 것으로 보인다 테스트를 손에 M1의 반대편으로 한이 NEBS의 대상이된다(anodal 자극 4 tDCS시 - 6).

자극 및 작업 실행 또는 교육이 동시에 13 수행 할 때 가장 강력한 행동의 효과는 일반적으로 발견된다. 일관성없는 결과는 NEBS보고 및 작업 연속 1 적용되었습니다. 이러한 최근에 개발 된 고화질 tDCS 같은 다른 전극 ​​몽타주는 자극 focality 48, 49을 증가하지만 행동 결과에 대한 미래의 조사를 요구할 수있다. 스트로크 모터 재활 및 학습에 TRNS 효과를 평가하는 제어 연구뿐만 아니라, 환자 집단의 고유 한 NEBS 전략의 비교 연구는 대부분 누락되었습니다. 인간의 모터 시스템의 NEBS와 미래 연구는 약속과 임상 응용 프로그램에 NEBS의 함정의 더 나은 이해를 위해 필요합니다.

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Disclosures

저자는 공개 아무것도 없어.

Acknowledgments

MC와 JR 독일 연구 재단 (DFG RE 2740 / 3-1)에 의해 지원됩니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NEBS device (DC Stimulator plus) Neuroconn
Electrode cables Neuroconn
Conductive-rubber electrodes Neuroconn 5x5 cm
Perforated sponge bags Neuroconn 5x5 cm
Non-conductive rubber sponge cover Amrex-Zetron FG-02-A103 Rubber pad 3"*3"
NaCl isotonic solution  B. Braun Melsungen AG  A1151 Ecoflac, 0,9%
Cotton crepe bandage Paul Hartmann AG 931004 8x5m, textile elasticity
Adhesive tape (Leukofix) BSN medical 02122-00 2,5cm*5m
Skin preparation paste Weaver 10-30
Magnetic stimulator Magstim 3010-00 Magstim 200
EMG conductive paste GE Medical Systems 217083
EMG bipolar electrodes e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 
EMG amplifier e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 
Cable for EMG signal transmission e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
Data acquisition unit  Cambridge Electronic Design (CED) MK1401-3 AD converter
Computer for signal recording and offline analysis
Signal 4.0.9 Cambridge Electronic Design (CED) Software
non-permanent skin marker Edding 8020 1 mm, blue

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인간의 운동 기능의 변조를위한 비 침습 뇌 전기 자극 몽타주
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Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).More

Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).

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