Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function

Marco Curado; Brita Fritsch; Janine Reis

doi:10.3791/53367

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Behavior

मानव मोटर समारोह के मॉड्यूलेशन के लिए गैर इनवेसिव विद्युत मस्तिष्क उत्तेजना montages

Published: February 04, 2016

doi:

10.3791/53367

Marco Curado, Brita Fritsch, Janine Reis

¹Department of Neurology,Albert Ludwigs University Freiburg

Summary

गैर-आक्रामक बिजली के मस्तिष्क उत्तेजना cortical समारोह और व्यवहार, दोनों अनुसंधान और नैदानिक प्रयोजनों के लिए मिलाना कर सकते हैं। इस प्रोटोकॉल मानव मोटर प्रणाली के मॉडुलन के लिए अलग मस्तिष्क उत्तेजना दृष्टिकोण का वर्णन है।

Abstract

गैर-आक्रामक बिजली के मस्तिष्क उत्तेजना (NEBS) दोनों अनुसंधान और नैदानिक प्रयोजनों के लिए मस्तिष्क समारोह और व्यवहार, मिलाना प्रयोग किया जाता है। विशेष रूप से, NEBS transcranially या तो प्रत्यक्ष वर्तमान उत्तेजना (tDCS) या बारी वर्तमान उत्तेजना (दूसस) के रूप में लागू किया जा सकता है। ये उत्तेजना प्रकार समय डालती है, खुराक और मोटर समारोह और कौशल स्वस्थ विषयों में सीखने पर tDCS polarity विशेष प्रभाव के मामले में। हाल ही में, tDCS स्ट्रोक या आंदोलन बीमारियों के साथ रोगियों में मोटर विकलांग की चिकित्सा को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया गया है। यह लेख tDCS और Transcranial यादृच्छिक शोर उत्तेजना (TRNS) के साथ प्राथमिक मोटर प्रांतस्था को निशाना बनाने के लिए एक कदम दर कदम प्रोटोकॉल, एक बिजली के वर्तमान में एक पूर्व निर्धारित सीमा के भीतर बेतरतीब ढंग से लागू किया आवृत्ति का उपयोग कर दूसस का एक विशिष्ट रूप प्रदान करता है। दो अलग अलग उत्तेजना montages की स्थापना की व्याख्या की है। दोनों montages में उत्सर्जन इलेक्ट्रोड (tDCS के लिए एनोड) ब्याज की प्राथमिक मोटर प्रांतस्था पर रखा गया है। के लिएएकतरफा मोटर प्रांतस्था उत्तेजना प्राप्त इलेक्ट्रोड contralateral माथे पर रखा गया है, जबकि द्विपक्षीय मोटर प्रांतस्था उत्तेजना के लिए प्राप्त इलेक्ट्रोड विपरीत प्राथमिक मोटर प्रांतस्था पर रखा जाता है। फायदे और cortical excitability और शिक्षा सहित मोटर समारोह के मॉडुलन के लिए प्रत्येक असेंबल के नुकसान के साथ-साथ सुरक्षा, सहनशीलता और चकाचौंध पहलुओं पर विचार-विमर्श कर रहे हैं।

Introduction

³ ^– गैर इनवेसिव बिजली के मस्तिष्क उत्तेजना (NEBS), अक्षत खोपड़ी के माध्यम से मस्तिष्क के लिए विद्युत धाराओं के प्रशासन, मस्तिष्क समारोह और व्यवहार ¹ संशोधित कर सकते हैं। समझने neurophysiological और व्यवहार प्रभाव के लिए अग्रणी अंतर्निहित तंत्र अभी भी जरूरत है NEBS रणनीतियों के चिकित्सीय क्षमता अनुकूलन के लिए। विभिन्न प्रयोगशालाओं भर में आवेदन और उत्तेजना प्रक्रियाओं के पूर्ण पारदर्शिता के मानकीकरण के डेटा की तुलनात्मकता जो परिणाम और कार्रवाई के प्रस्तावित तंत्र के मूल्यांकन के विश्वसनीय व्याख्या का समर्थन करता है के लिए आधार प्रदान करता है। Transcranial प्रत्यक्ष वर्तमान उत्तेजना (tDCS) या Transcranial वर्तमान उत्तेजना बारी (दूसस) विद्युत धारा लागू की मापदंडों से अलग: tDCS दो इलेक्ट्रोड (एनोड और कैथोड) ² के बीच एक दिशाहीन निरंतर वर्तमान प्रवाह के होते हैं ^– ^6, जबकि दूसस एक बारी वर्तमान में लागू किया उपयोग करता है पर एकविशिष्ट आवृत्ति ^7। Transcranial यादृच्छिक शोर उत्तेजना (TRNS) एक बारी वर्तमान यादृच्छिक आवृत्तियों पर लागू उपयोग करता है दूसस का एक विशेष रूप है (उदाहरण के लिए।, 100-640 हर्ट्ज) जल्दी बदलती उत्तेजना तीव्रता में जिसके परिणामस्वरूप और polarity से संबंधित प्रभाव ^4,6,7 को हटाने। Polarity उत्तेजना की स्थापना भी शामिल है अगर एक उत्तेजना ऑफसेट, जैसे, शोर स्पेक्ट्रम बेतरतीब ढंग से एक +1 मा आधारभूत तीव्रता (आम तौर पर इस्तेमाल नहीं किया) के आसपास बदलते ही प्रासंगिक है। इस अनुच्छेद के प्रयोजन के लिए, हम मोटर प्रणाली पर tDCS और TRNS प्रभाव का उपयोग कर, बारीकी से हमारी प्रयोगशाला ⁶ से एक हाल ही में प्रकाशन के बाद काम पर ध्यान दिया जाएगा।

TRNS की कार्रवाई की अंतर्निहित तंत्र भी कम tDCS की तुलना में समझ रहे हैं, लेकिन संभावना उत्तरार्द्ध से अलग है। सैद्धांतिक रूप से, स्टोकेस्टिक गूंज के वैचारिक ढांचे में TRNS का परिचय एक न्यूरोनल प्रणाली है जो वें बदलकर एक सिग्नल प्रोसेसिंग लाभ प्रदान कर सकता करने के लिए उत्तेजना प्रेरित शोरई संकेत करने वाली शोर अनुपात ^4,8,9। TRNS मुख्य रूप से कमजोर संकेत बढ़ाना कर सकते हैं और इस प्रकार कार्य विशेष के मस्तिष्क गतिविधि (अंतर्जात शोर ⁹⁾ का अनुकूलन कर सकता है। Anodal tDCS प्रभाव घंटे मिनट के लिए उत्तेजना अवधि outlasting साथ cortical excitability सहज neuronal फायरिंग दर ¹⁰ के परिवर्तन ने संकेत या बढ़ा मोटर संभावित पैदा (एमईपी) आयाम ² बढ़ जाती है। synaptic दीर्घकालिक potentiation के रूप में जाना प्रभावकारिता में लंबे समय से स्थायी बढ़ जाती है सीखने और स्मृति के लिए योगदान करने के लिए लगा रहे हैं। दरअसल, anodal tDCS मोटर cortical synapses बार बार एक कमजोर synaptic इनपुट ¹¹ से सक्रिय की synaptic प्रभावकारिता को बढ़ाता है। अनुसार, मोटर समारोह में सुधार / कौशल अधिग्रहण अक्सर पता चला है तभी उत्तेजना मोटर ट्रेनिंग ¹¹ के साथ सह-आवेदन किया है ^– ^13, भी इस गतिविधि पर निर्भर प्रक्रिया का एक शर्त के रूप में synaptic सह सक्रियण का सुझाव दे। फिर भी, सी में वृद्धि के बीच करणीयortical excitability एक हाथ पर (फायरिंग दर या एमईपी आयाम में वृद्धि) और बेहतर synaptic प्रभावकारिता दूसरी तरफ (एलटीपी या इस तरह के मोटर सीखने के रूप में व्यवहार समारोह) का प्रदर्शन नहीं किया गया है।

NEBS प्राथमिक मोटर प्रांतस्था (एम 1) सुरक्षित और प्रभावी तरीके के रूप में बढ़ती रुचि को आकर्षित किया है मानव मोटर समारोह ¹ मिलाना के लिए आवेदन किया। ^6,14,15 ^– neurophysiological प्रभाव और व्यवहारिक परिणाम उत्तेजना रणनीति (जैसे, tDCS polarity या TRNS), इलेक्ट्रोड आकार और असेंबल ⁴ पर निर्भर हो सकता है। विषय-निहित संरचनात्मक और शारीरिक कारकों के अलावा इलेक्ट्रोड असेंबल काफी बिजली के क्षेत्र वितरण प्रभावित करती है और ¹⁶ कोर्टेक्स के भीतर फैल रहा वर्तमान के विभिन्न पैटर्न में हो सकता है ^– ^18। इलेक्ट्रोड के लागू मौजूदा आकार की तीव्रता के अलावा ³ से वितरित वर्तमान घनत्व निर्धारित करता है। आम इलेक्ट्रोड montagesमानव मोटर में सिस्टम स्टडीज (चित्रा 1) शामिल हैं: 1) anodal एनोड हित के एम 1 और कैथोड contralateral माथे पर तैनात पर तैनात साथ एकतरफा एम 1 उत्तेजना के रूप में tDCS; इस दृष्टिकोण के मूल विचार के हित ^6,13,19 के एम 1 में उत्तेजना की upregulation है ^– ^22; 2) anodal tDCS द्विपक्षीय एम 1 उत्तेजना (भी "bihemispheric" या "दोहरी" उत्तेजना) एनोड हित के एम 1 और कैथोड contralateral एम 1 ^5,6,14,23,24 पर तैनात पर तैनात साथ के रूप में भेजा; इस दृष्टिकोण के मूल विचार के हित के एम 1 में उत्तेजना की upregulation द्वारा उत्तेजना लाभ को अधिकतम जबकि विपरीत एम 1 में उत्तेजना downregulating है (यानी, दो M1S के बीच interhemispheric निषेध के मॉडुलन); 3) TRNS के लिए, केवल ऊपर उल्लेख एकतरफा एम 1 उत्तेजना असेंबल investig किया गया हैपैदा ^4,6; इस असेंबल excitability TRNS के प्रभाव को बढ़ाने के साथ 100-640 हर्ट्ज ⁴ की आवृत्ति स्पेक्ट्रम के लिए पाया गया है। मस्तिष्क उत्तेजना रणनीति और इलेक्ट्रोड असेंबल की पसंद नैदानिक या अनुसंधान सेटिंग्स में NEBS के एक कुशल और विश्वसनीय उपयोग के लिए एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है। यहाँ इन तीन NEBS प्रक्रियाओं में विस्तार से वर्णित के रूप में मानव मोटर प्रणाली के अध्ययन में इस्तेमाल किया और methodological और वैचारिक पहलुओं पर चर्चा कर रहे हैं। एकतरफा या द्विपक्षीय tDCS और एकतरफा TRNS के लिए सामग्री एक ही (चित्रा 2) कर रहे हैं।

चित्रा 1. इलेक्ट्रोड montages और विशिष्ट NEBS रणनीतियों के लिए मौजूदा दिशा। (ए) एकतरफा anodal Transcranial प्रत्यक्ष वर्तमान उत्तेजना (tDCS) के लिए, एनोड ब्याज की प्राथमिक मोटर प्रांतस्था और कैथोड टी पर तैनात पर केंद्रित हैवह सुप्रा कक्षीय क्षेत्र contralateral। (बी) के द्विपक्षीय मोटर प्रांतस्था उत्तेजना, एनोड और कैथोड के लिए एक मोटर प्रांतस्था पर प्रत्येक स्थित हैं। एनोड की स्थिति निर्धारित करता है anodal tDCS के लिए ब्याज की मोटर प्रांतस्था। (सी) एकतरफा Transcranial यादृच्छिक शोर उत्तेजना के लिए (TRNS), एक इलेक्ट्रोड मोटर प्रांतस्था और contralateral सुप्रा कक्षीय क्षेत्र में अन्य इलेक्ट्रोड के ऊपर स्थित है। इलेक्ट्रोड के बीच वर्तमान प्रवाह काला तीर द्वारा संकेत दिया है। Anode (+, लाल), कैथोड (-, नीला), बारी वर्तमान (+/-, हरा)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Protocol

आचार बयान: मानव अध्ययन का अध्ययन प्रवेश से पहले प्रतिभागियों की लिखित सूचित सहमति की आवश्यकता होती है। प्रतिभागियों की भर्ती से पहले संबंधित आचार समिति द्वारा अनुमोदन प्राप्त करते हैं। यकीन अध्ययन कर…

Representative Results

मानव मोटर प्रणाली पर NEBS के प्रभाव की जांच करने के लिए यह उचित परिणाम उपायों पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है। मोटर प्रणाली का एक फायदा electrophysiological उपकरण द्वारा cortical अभ्यावेदन की पहुंच है। मोटर …

Discussion

इस प्रोटोकॉल विशिष्ट सामग्री और हाथ मोटर समारोह के मॉडुलन और कौशल के लिए प्रक्रियात्मक कदम NEBS, anodal tDCS लिए विशेष रूप से एकतरफा और द्विपक्षीय एम 1 उत्तेजना, और एकतरफा TRNS का उपयोग सीखने का वर्णन है। एक विशेष NEBS …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

एम सी और जे आर जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (DFG आरई 2,740 / 3-1) द्वारा समर्थित हैं।

Materials

NEBS device (DC Stimulator plus)	Neuroconn
Electrode cables	Neuroconn
Conductive-rubber electrodes	Neuroconn		5×5 cm
Perforated sponge bags	Neuroconn		5×5 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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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).