Summary
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering kan modulera kortikal funktion och beteende, både för forskning och kliniska ändamål. Detta protokoll beskriver olika hjärnstimulerings metoder för modulering av det humana motoriska systemet.
Abstract
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering (NEBS) används för att modulera hjärnans funktion och beteende, både för forskning och kliniska ändamål. I synnerhet kan NEBS appliceras transcranially antingen som likström stimulering (TFF) eller växelström stimulering (TAC). Dessa stimuleringstyper utöva tids-, dos- och i fallet med TFF polaritet specifika effekter på motorisk funktion och skicklighet lärande hos friska försökspersoner. På senare tid har TFF använts för att förstärka behandlingen av rörelsehinder hos patienter med stroke eller rörelsestörningar. Den här artikeln innehåller en steg-för-steg-protokoll för att rikta den primära motoriska cortex med TFF och transkraniell slumpmässigt brus stimulering (TRNS), en särskild form av TAC med hjälp av en elektrisk ström appliceras slumpvis inom ett fördefinierat frekvensområde. Installationen av två olika stimulerings montage förklaras. I båda montages den emitterande elektroden (anoden för TFF) placeras på den primära motoriska cortex av intresse. Förensidig motor cortex stimulering mottagnings elektrod placeras på den kontralaterala pannan medan bilaterala motor cortex stimulering mottagnings elektrod placeras på den motsatta primära motoriska cortex. För- och nackdelar med varje montage för modulering av kortikal retbarhet och motorisk funktion inklusive inlärning diskuteras, samt säkerhet, tolerabilitet och förblindande aspekter.
Introduction
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering (NEBS), administration av elektriska strömmar till hjärnan genom den intakta skallen, kan ändra hjärnans funktion och beteende 1-3. För att optimera den terapeutiska potentialen hos NEBS strategier förståelse behövs fortfarande de underliggande mekanismer som leder till neurofysiologiska och beteendemässiga effekter. Standardisering av tillämpning i olika laboratorier och full insyn i stimuleringsförfaranden utgör grunden för jämförbara uppgifter som stöder tillförlitlig tolkning av resultaten och utvärderingen av de föreslagna verkningsmekanismer. Transkraniell likström stimulering (TFF) eller transkraniell växelström stimulering (TAC) skiljer sig med parametrar för de tillämpade elektrisk ström: TFF består av en enkelriktad konstant strömflöde mellan två elektroder (anod och katod) 2 - 6 medan TAC använder en växelström tillämpas vid enspecifik frekvens 7. Transkraniell slumpmässigt brus stimulering (Trns) är en speciell form av TAC som använder en växelström appliceras på måfå frekvenser (t ex., 100-640 Hz) resulterar i snabbt varierande stimuleringsnivåer och ta bort polaritet relaterade effekter 4,6,7. Polaritet är endast relevant om inställningen stimulering innefattar en stimulans offset, t.ex. brusspektrum slumpmässigt förändras runt en mA utgångsintensitet (oftast inte används). Vid tillämpningen av den här artikeln kommer vi att fokusera på arbete med TFF och TRNS effekter på motorsystemet, tätt följd av en nyligen publicerad från vårt laboratorium sex.
De bakomliggande mekanismerna för verkan av TRNS är ännu mindre förstås än av TFF men sannolikt skiljer sig från den senare. Teoretiskt, i den konceptuella ramen för stokastisk resonans Trns introducerar stimulering inducerad buller till en neuronal system som kan ge en fördel signalbehandling genom att förändra the signal-brusförhållande 4,8,9. TRNS kan främst förstärka svagare signaler och kunde på så sätt optimera uppgift specifika hjärnaktivitet (endogen buller 9). Anodal TFF ökar kortikala retbarhet anges genom ändring av den spontana neuronhastighet 10 eller ökad motor evoked potential (MEP) amplituder 2 med effekterna outlasting stimuleringstiden i minuter till timmar. Långvariga ökningar i synaptisk effekt kallas långsiktig potentiering tros bidra till inlärning och minne. I själva verket, anod TFF förstärker synaptiska effekten av motor kortikala synapser upprepat aktiveras av en svag synaptiska ingång 11. I enlighet är förbättrad motorik / skicklighet förvärv ofta avslöjas först om stimulering är samtidigt appliceras med motorisk träning 11-13, också tyder på synaptiska co-aktivering som en förutsättning för denna verksamhet beroende process. Ändå orsakssamband mellan ökningar i cortical retbarhet (ökad eldhastighet eller MEP amplitud) å ena sidan och förbättrad synaptisk effekt (LTP eller beteende funktion såsom motorisk inlärning) å andra sidan har inte visats.
NEBS tillämpas på den primära motoriska cortex (M1) har rönt allt större intresse som säker och effektiv metod för att modulera humant motorik en. Neurofysiologiska effekter och beteende resultatet kan bero på stimulering strategin (t.ex. TFF polaritet eller TRNS), elektrodstorlek och montage 4 - 6,14,15. Bortsett från ämnes inneboende anatomiska och fysiologiska faktorer elektroden montage påverkar avsevärt elektriskt fält distribution och kan leda till olika mönster av nuvarande spridnings i cortex 16-18. Förutom intensiteten hos det pålagda strömmen storleken av elektroderna bestämmer den strömtäthet som levereras 3. Gemensamma elektrodmontagei mänsklig motorsystemstudier inkluderar (Figur 1): 1) anod TFF som ensidigt M1 stimulering med anoden placerad på M1 av intresse och katoden placerad på den kontralaterala pannan; den grundläggande idén med denna metod är uppreglering av retbarhet i M1 intressanta 6,13,19 - 22; 2) anodal TFF som bilateral M1 stimulering (även hänvisad till som "bihemispheric" eller "dual" stimulering) med anoden placerad på M1 av intresse och katoden placerad på den kontra M1 5,6,14,23,24; den grundläggande idén med denna metod är att maximera stimulerings fördelar genom uppreglering av retbarhet i M1 av intresse medan nedreglera retbarhet i motsatt M1 (dvs modulering av interhemispheric hämning mellan de två M1s); 3) För TRNS, har endast den ovannämnda ensidiga M1 stimulering montage varit Investigated 4,6; med detta montage retbarhet främjande effekter av TRNS har hittats för frekvensspektrum 100-640 Hz 4. Valet av hjärnstimulering strategi och elektrodmontage representerar ett kritiskt steg för en effektiv och tillförlitlig användning av NEBS i kliniska eller forskningsinställningar. Här dessa tre NEBS procedurer beskrivs i detalj som användes i motorsystemstudier mänskliga och metodologiska och konceptuella aspekter diskuteras. Material för ensidiga eller bilaterala TFF och ensidiga TRNS är samma (Figur 2).
Figur 1. Elektrod montage och strömriktning för olika NEBS strategier. (A) För ensidig anod transkraniell likström stimulering (TFF) är anoden centrerad över den primära motoriska cortex av intresse och katoden placerad över than kontra supra-orbital område. (B) För bilaterala motor cortex stimulering, anod och katod finns vardera över en motor cortex. Läget för anoden bestämmer motoriska cortex av intresse för anodal TFF. (C) För ensidig transkraniell slumpmässigt brus stimulering (TRNS), är en elektrod placerad över motorn cortex och den andra elektroden över den kontralaterala över orbital område. Strömflödet mellan elektroderna indikeras av den svarta pilen. Anod (+, röd), katod (-, blå), växelström (+/-, grön). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Etik uttalande: Mänskliga studier kräver skriftligt informerat samtycke deltagare före inträde i studien. Erhålla godkännande från den berörda etiska kommittén innan rekrytering av deltagare. Kontrollera studier i enlighet med Helsingforsdeklarationen. De representativa resultaten redovisas här (Figur 4) bygger på en studie utförd i enlighet med Helsingforsdeklarationen ändrad genom 59: e WMA generalförsamling, Seoul, oktober 2008 och godkändes av den lokala etiska kommittén vid University of Freiburg. Alla försökspersoner gav skriftligt informerat samtycke innan inträde i studien sex.
1. Säkerhets Screening
- Screen deltagaren för potentiella kontraindikationer för icke-invasiv hjärnstimulering 3, t ex., Genom att använda frågeformulär 25.
2. Motor Cortex Lokalisering
- Leta reda på deltagarens handen motor cortex av en av två distinct tillvägagångssätt, genom att lokalisera hjärnan representation av muskeln av intresse genom transkraniell magnetisk stimulering (TMS) -inducerad MEP eller genom att lokalisera standard M1 positionen (C3 / C4) baserat på EEG 10/20 internationella systemet med ett måttband 26 .
- För TMS-inducerad MEP inspelning be deltagaren att avlägsna alla föremål som kan påverkas av TMS magnetfält, inklusive kreditkort, mobiltelefoner och metallföremål i allmänhet.
- Be deltagaren att sitta bekvämt.
- Kontrollera anslutningarna mellan EMG förstärkare och datorn som används för signalkonfiguration och förvärv när ett programgränssnitt.
- Slå på EMG-förstärkaren och anslut EMG elektrodkablar.
- Ren deltagare hud genom mjukt gnugga med hudpreparering pasta i regionerna i handen där elektroderna ska placeras. Avlägsna överskott med ren kompress.
- Fäst EMG ytelektroder i en mage-senor montage på handen muskelränta (eg., M. kidnappare pollicis brevis den högra) och anslut en jordelektrod (t ex., på underarmen). Syftet med studien bestämmer vilken hand muskeln att använda.
Obs! För återanvändbara elektroder är det nödvändigt att tillämpa en liten mängd av ledande pasta på elektrodytan innan du ansluter den till deltagarens huden. - (Valfritt steg) Starta programmet inspelning för MEP förvärv om lagring MEP uppgifter önskas.
- Kontrollera EMG impedansvärden. Se till att impedansen är <20 kOhm.
- Slå på den magnetiska stimulatorn och ladda kondensatorn genom att trycka på motsvarande "avgift" -knappen.
- Placera en siffra-of-åtta TMS spole på deltagaren hårbotten på interhemispheric fissuren och flytta den till motorn cortex området (runt placerar C3 / C4 av EEG 10/20 internationella systemet). Håll TMS spolen vid 45 ° -50 ° vinkel i förhållande till den interhemispheric fissure 27,28, med handtaget orienterad bakåt, vilket ger en kortikalt strömflöde från bakre till främre 29.
Obs: Två distinkta TMS spolar används för motor cortex lokalisering: figure-of-åtta eller cirkulära spolar. Om möjligt, använd en siffra-of-åtta spole eftersom det ger mer fokus hjärnstimulering 30 och större tillförlitlighet av mätningar av kortikal retbarhet 31. - När den magnetiska stimulatorn är laddat (visas på displayen), ladda ur stimulatorn antingen genom att trycka på avtryckaren eller genom att trampa på fotpedalen eller automatiskt av ett program. Detta kommer sedan att leverera en enda TMS puls genom den anslutna TMS spole placerad över deltagarens hårbotten. Standard TMS pulsinställningar (. T.ex. 100 ps stigtid av den inducerade strömmen och 800 us förfall tid för monofasiska stimuli, kortare sönderfallstider för bifasisk stimuli) är specifika för enheten (firmware).
- Börja med låg stimulering intensitet (t ex., Ställa in intensiteten till 45% utgång med stimuleringsintensitetsstyrenheten ratten på stimulatorn) och titta på ledamöterna synliga på EMG förstärkaren.
- Om ingen ledamot syns ökar stimuleringsintensiteten i 2-5% steg tills en parlamentsledamot är tydligt närvarande (eg., 0,5-1 mV amplitud). Upprepa stimulans genom att trycka på avtryckaren eller aktivera fotpedalen om puls leverans inte är automatiserad. Informera deltagaren att stimulering blir något starkare och att benrörelser, ansikts rycka och ögon blinkar förväntas.
Obs: Upprätta en minimiintervall på fem sekunder mellan pulserna för att undvika lågfrekventa stimulerings effekter på hjärnans retbarhet.
- Om ingen ledamot syns ökar stimuleringsintensiteten i 2-5% steg tills en parlamentsledamot är tydligt närvarande (eg., 0,5-1 mV amplitud). Upprepa stimulans genom att trycka på avtryckaren eller aktivera fotpedalen om puls leverans inte är automatiserad. Informera deltagaren att stimulering blir något starkare och att benrörelser, ansikts rycka och ögon blinkar förväntas.
- Flytta spolen radiellt i 1 cm steg runt initialt stimulerade webbplats för att hitta platsen med den största MEP svar efter tillämpningen av enstaka TMS pulser. Därifrån, börja om igen att flytta spolen för att säkraden "hotspot" (kortikal område med maximal MEP amplitud).
Anmärkning: Användning av en head cap (. T.ex., som används för galler markeringar) för lokalisering förfarande rekommenderas inte eftersom locket måste tas bort för NEBS elektrodplacering och hotspot positionen kan gå förlorade. - Minska stimuleringsintensiteten hos cirka 2% -steps använder stimuleringsintensitetsstyrenheten ratten på stimulator (MEP måste fortfarande vara närvarande). Detta kommer att undvika felaktigheter på grund av supramaximal stimulering. Bekräfta hotspot genom att flytta spolen radiellt i 1 cm steg runt hotspot och kontroll av MEP storlek. Den hotspot bör ändå motsvara den största och mest konsekventa MEP amplitud.
Obs: Be deltagaren att frivilligt kontrakt muskeln av intresse om hotspot är svårt att hitta (. T.ex. ingen MEP närvarande vid höga stimuleringsintensitet). Genom att göra så, stimuleringsintensiteten som behövs för att framkalla MEP minskasoch det kan vara lättare att identifiera relevanta kortikala stimuleringsställen. Om denna metod används, be deltagaren att slappna av muskeln efter att hitta en relevant stimulering webbplats och justera stimuleringsintensiteten så att tillförlitliga parlamentsledamöter kan hittas när muskeln är i vila. Fortsätt att hitta hotspot. - Markera hotspot läge och spole orientering med icke-permanent hud markör.
- För bilaterala M1 stimulering upprepa steg från 2,11 till 2,16 för kontralaterala.
3. NEBS Elektrod Framställning
- Anslut kablarna till gummielektroder och placera elektroderna inuti svampen påsar. Se till att elektrodstorlek och svamp väska storlek stämmer överens. Material är kommersiellt tillgängliga i standardstorlekar (t.ex.., 5x5 cm 2, 5x7 cm 2).
- Blötlägg svampen påsar på båda sidor med isoton NaCl-lösning, men undvika alltför blöt för att förhindra saltbryggor eller droppa på frivillig.
- Detta steg är optional: För att förhindra läckage av NaCl-lösning vid användning av bandage i stället för gummiband, placera elektroderna och svamp påsar inuti icke-ledande gummi svamp täcker.
Obs! Du kan täcka gummi elektrod med ledande pasta och placera dem direkt på deltagarens huvud, det vill säga att inte använda svamp påsar eller gummi svamp täcker.
- Detta steg är optional: För att förhindra läckage av NaCl-lösning vid användning av bandage i stället för gummiband, placera elektroderna och svamp påsar inuti icke-ledande gummi svamp täcker.
4. NEBS elektrodplacering (Figur 1)
- Hitta huvudet märkning (s) som indikerar motor kortikala hotspot och separera håret runt området.
- För att förbättra ledningsförmåga rengör huden innan elektrodplacering genom att försiktigt gnugga hudområdet runt huvudet markeringar med en svabb dränkts med 40-50% alkohol eller hudpreparering pasta. Inte repa huden! Ta bort överflödigt med en bomullstopp och rent område igen med isoton NaCl-lösning. Torka området efteråt.
Obs: Se till att huvudet märkning (s) förblir synliga; anmärka om det behövs. Placera en elektrod efter huvudet markering för M1 av intresse (kontralaterala till hand intresse). Bringa svampen så mycket som möjligt i direkt kontakt med huden. Placera elektrodkabeln mot deltagarens rygg för att undvika störningar under stimulering och / eller utförande uppgift och för att underlätta anslutningen till NEBS enheten.
Obs: Håret under elektroden ska få fuktig. Vid överdriven hår fukt, använd papper eller handdukar för att absorbera överskottet.
Obs! Anod TFF, elektroden placeras på motor kortikala hotspot av intresse (ökning med retbarhet önskas) motsvarar anoden, vanligtvis kopplad till den röda kabeln. Katoden (vanligen ansluten till en svart eller blå kabel) placeras på den motsatta supraorbital området eller M1 (se nedan). Konventionellt, elektrodplacering är densamma för TRNS, även om i den klassiska protokollet finns det ingen polaritet specificitet på grund av den alternerande current flöde. Specifik placering kan vara viktigt om stimulerings inställningar inkluderar en stimulering offset. - För ensidig M1 stimulering plats den andra elektroden (för anod TFF: katoden) över den kontralaterala över orbital område (motsvarande elektroden Fp2 i EEG 10/20 internationella systemet). Kontrollera att kabeln är inriktad mot baksidan av deltagaren.
- För bilaterala M1 stimulering hoppa över steg 4,4. Placera den andra elektroden (för anodal TFF: katoden) på motsatt M1 följande huvudet märkning ipsilateralt lemmen som används i studien. Kontrollera att kabeln är inriktad mot baksidan av deltagaren.
- Täcka huvudet två gånger med en elastisk binda cirkulärt i medio-lateral riktning för att stabilisera M1 elektroden, sedan använda den återstående bandage för att täcka huvudet cirkulärt i den främre-bakre riktning för att stabilisera båda elektroderna.
- Med en tejp för att fixera änden av Bandage.
- Fäst kablarna med en tejp på deltagarens nacke eller skjorta.
- Anslut elektrodkablarna till NEBS enheten.
Figur 2. Material som används för NEBS protokoll. Konventionella material som används i icke-invasiva elektrisk hjärnstimuleringsprotokoll inkluderar NEBS enhet, elektrodkablar, ledande gummi elektroder, perforerade svamp påsar, gummi svamp lock (tillval), isoton NaCl-lösning och bandage. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
5. Stimulering
- Slå på NEBS enheten.
- Justera NEBS enhetens inställningar om stimulering typ (TFF eller TRNS), intensitet (t ex., 1 mA, 1,5 mA eller 2 mA), längd (t ex., 10-40 mi), ramp upp och ner (tiden mellan början av stimulering och maximal intensitet, typiskt 8-15 sekunder), och ytterligare faktorer relaterade till stimulerings typ (t.ex. frekvensspektrum för TRNS).
Obs: Konventionellt bluff stimulering innefattar upprampning omedelbart följt av ramp ner. Följaktligen har deltagaren känslan av stimuleringen men varaktigheten av stimuleringen inte är tillräcklig för att utöva varaktiga effekter på hjärnans funktion. Vissa NEBS enheter inkluderar en studie läge som tillåter igensättning av deltagare och utredare genom att ange en studie specifikt ämne kod. Koden avgör stimuleringsinställningar automatiskt. Alternativt kan en andra försöksledaren ställa in stimuleringsinställningarna i varje session och täcka skärmen från försöks utför stimulering. - Informera deltagaren om potentiella biverkningar förknippade med NEBS. Vanliga biverkningar är klåda / stickningar eller brännande känsla underneath elektrod, huvudvärk, och obehag 32. Brännande känsla kan vara ett tecken på dålig elektrodkontakt med huden.
- Starta stimuleringen.
Obs: Gemensam stimulering varaktighet varar ca 10-20 min baserat på rapporter undersöker förändringar på kortikala retbarhet (se representativa resultat avsnittet). Empiriskt var den maximala stimuleringstiden satt till 40 minuter 3. - Kontrollera om kontinuitet stimulering under upprampning och stimulans. Om impedansen är för hög eller elektroderna är i dålig kontakt med huden kan stimuleringen avslutas automatiskt.
Obs: Om impedansen är för hög eller deltagaren rapporter ökande obehag under stimuleringen försöka minska impedansen genom t.ex. bättre fixera elektroderna vid stimulerings platser eller lägga till ledande medium. NaCl-lösning kan tillsättas med hjälp av en spruta direkt i svamparna efter deras placering on huvudet.
Obs: Av säkerhetsskäl vissa enheter rapporterar impedansen hela stimulans. Den NEBS enheten kan stängas av om impedansen når en viss tröskel (eg., 55 kOhm). - Om NEBS är co-appliceras med utförandet av en motor uppgift starta testningen / utbildning efter stimulering rampas upp och deltagaren känna sig bekväm med stimulering. I fall omfattar studien inte en motor uppgift under stimulering, se till att deltagaren förblir sittande och vaken under stimuleringsperioden, och vänta tills stimulering är över.
- Kontrollera med deltagaren för biverkningar av stimuleringen, eg., Genom att dela ut ett standardiserat frågeformulär 32 eller direkt be deltagaren. Vid studier med flera dagars stimulering, ta del av eventuella biverkningar mellan dagar.
Obs: För bedömning av bländande effekt, be deltagaren efter varje stimulerings Session för att gissa vilken stimulering typ (sham / skick) deltagaren genomgick. Om försöksledaren är också blind, kan försöksledaren också notera sin gissning om deltagarens stimuleringstyp. Jämför svarar med den aktuella stimuleringstyp att kontrollera graden av korrekta gissningar 33. - Desinficera elektroder och svampar med icke-farliga ämnen som 40-50% alkohol. Noggrant skölja i vatten efteråt. Låt material torka innan förvaring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att undersöka effekterna av NEBS på människomotorsystemet är det viktigt att överväga lämpliga utfallsmått. En fördel med det motoriska systemet är tillgängligheten av de kortikala representationer av elektrofysiologiska verktyg. Motor framkallade potentialer används ofta som en indikator på motor kortikal retbarhet. Efter applicering av 9 eller fler minuter av anodal TFF vid en strömtäthet av 29 uA / cm 2, är motor kortikal retbarhet ökas under minst 30 min i de flesta friska frivilliga 19,21,22 (se även fig 3). Katod TFF orsakar oftast motsatsen (retbarhet minskande) eller ingen effekt 19,22. Emellertid, såsom diskuterats nyligen 22, det finns en viss variabilitet i reaktionsriktningen, med vissa ämnen som visar den motsatta riktningen av effekten för anodal och katodal TFF. Detta bör beaktas vid provstorlek beräkningari studier med hjälp av NEBS. Intressant nog var jämförbara förändringar i M1 retbarhet hittades efter ensidiga och bilaterala TFF 5,23 och enkel motorik liknande sätt förbättrades direkt efter varje stimulerings typ 5. Därför är det för närvarande under utredning om ytterligare nedreglering av retbarhet den kontra M1 med hjälp av bilaterala M1 montage utövar specifika fördelar för motorik (se nedan). Däremot vilotillstånd fMRI visade tydligt olika förändringar kortikala nätverk: bilateralt TFF modulerar funktionell uppkoppling i den primära och sekundära motor och prefrontala områden, medan ensidiga TFF modulerar funktionell uppkoppling i prefrontala, parietal och lillhjärnan områden 34.
TRNS har nyligen utvecklats som ett verktyg för att modulera kortikal retbarhet 4. På grund av den växelström TRNS tillämpas utan polaritet specificitet (så länge detär ingen förskjutning av stimulering intensitet). Men effektiviteten i Trns verkar bero på den tillförda brusspektrumet, med höga frekvenser (100-640 Hz) visar mer robust effekter än låga frekvenser (<100 Hz) 4. När direkt jämförelse med ensidiga anod TFF, var en liknande men något längre varaktig ökning av M1 retbarhet (mätt med MEP amplitud förändringar) hittades efter ensidiga TRNS (Figur 3).
Figur 3. Tidsförlopp för motor kortikal retbarhet efter olika NEBS strategier. Den MEP amplitud visas såsom en funktion av tid före och efter 10 min av unilateral anodala transkraniell direkt stimulering (TFF) eller transkraniell slumpmässigt brus stimulering (TRNS) appliceras på den primära motoriska cortex vid en strömtäthet av 29 uA / cm 2 (1 mA / 35 cm 2). Felstaplar indicate standardfel. Observera att TRNS utövar liknande effekter på motor kortikala retbarhet jämfört med Anodal TFF. MEP amplitud återgår till baslinjenivåer efter ca 50 min för anod TFF och efter 90 min för TRNS. Från Terney et al. (2008) 4 med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Trots heterogenitet studiedesign, startar ett gemensamt koncept för att utvecklas från NEBS prov som testar effekterna av TFF och TRNS på motorik: NEBS påverkar motorprestanda eller färdigheter när de appliceras samtidigt med träning / testning. Anodal TFF och TRNS tillämpas ensidigt M1 stimulering eller anod TFF tillämpas bilateralt M1 stimulering under träning var alla visat sig förbättra implicit motorsekvens lära 4,35 - 38 på serie Reactitid uppgift 39. På samma sätt var ensidiga anod TFF tillämpas under motorisk träning visat sig öka graden av lärande i en uttrycklig motorisk inlärning paradigm 40. Men effekterna av katodstimulering på implicit och explicit motorisk inlärning tycks vara annorlunda: medan katod TFF under utbildning inte påtagligt påverka sekvens lärande under implicit motorisk inlärning 35, rapporterades det att negativt påverka explicit motorisk inlärning 40. Skälen till denna diskrepans måste undersökas ytterligare.
I tidigare undersökningar med fokus på mer komplexa motorisk inlärning över flera dagar anod TFF tillämpas som ensidigt M1 stimulering under träningen avsevärt förbättrad visuomotor skicklighet lära 13,20. Skill bestämdes av förändringar i rörelse noggrannhet som en funktion av rörelsehastighet (dvs hastigheten noggrannhet-avvägning). Påfallande, vid en direkt jämförelse elektrod montage och stimuleringstyper, både ensidiga och bilaterala M1 anod TFF och ensidiga TRNS all förbättrad skicklighet lärande på en visuomotor ord och brev spåra uppgift 6 (Figur 4A). När det gäller de mekanismer, är det för närvarande okänt om TFF och TRNS arbetar med samma verkningsmekanismer. Men tidsförloppet av kompetensvinster inom session tydligt skilde mellan TFF och TRNS: Ensidiga TFF utövade stora effekter på kompetensvinster omedelbart efter stimulering startade. Däremot bilaterala TFF och TRNS förbättras långsamt kompetensvinster under sessionerna (Figur 4B). Denna skillnad tyder på att tidsmässigt specifika interaktioner mellan NEBS typ och motorinlärningsprocessen. Detta bör beaktas när man väljer stimuleringstyper för framtida undersökningar av motorsystemet hos friska försökspersoner samt patienter med neurologiska sjukdomar.
igure 4 "src =" / filer / ftp_upload / 53.367 / 53367fig4.jpg "/>
Figur 4. Förbättring av motorisk genom utbildning och förstärkning av olika NEBS strategier. (A) Förändringar i motorisk under tre dagar av motorisk träning per stimulering grupp. Skill ökar kraftigt över tiden i bluff stimulering kontrollgruppen och förstärks ytterligare av varje NEBS strategi. (B) Scatter plot av delkomponenterna i motorisk inlärning. Alla stimulerings grupper innebär betydligt större total lärande motor jämfört med skenstimuleringskontrollgruppen. Endast ensidig anodiska transkraniell likström stimulering (TFF) visar större omedelbara effekter på motorisk inlärning -. Dvs, initialt förändringar i skicklighet efter uppkomsten av stimulering, jämfört med skenstyrning och transkraniell slumpmässigt brus stimulering (Trns). DC: M1-SO = ensidiga TFF. DC: M1-M1 = bilaterala TFF. RN: M1-SO = ensidiga TRNS. * P <0,05, ** p <0,01. Felstaplar = standardfel av medelvärdet. Från Prichard et al. (2014) 6 med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta protokoll beskriver typiska material och procedursteg för modulering av hand motorik och skicklighet lärande med hjälp av NEBS, särskilt ensidiga och bilaterala M1 stimulering för anod TFF och ensidiga TRNS. Innan du väljer en viss NEBS protokoll för en människa motorsystem studie, t ex. I samband med motorisk inlärning, metodologiska aspekter (säkerhet, tolerabilitet, bländande) samt begreppsmässiga aspekterna (montage eller strömtyp specifika effekter på en viss hjärnregion) måste tas med i beräkningen. Fördelar och begränsningar för de tre strategier presenteras i tabell 1.
| NEBS typ | Fördel | Begränsning |
| Gemensamt för anodal TFF och TRNS | Säker Billig Enkel att administrera Outlasting effekt på cortical retbarhet (upp till 90 min) Förbättring av motorik och motorisk inlärning hos friska försökspersoner och patienter med motoriken Funktionell focality uppnås genom en kombination av NEBS med en särskild uppgift | Struktur stimulering focality begränsas och definieras av elektrodstorlek och montage Större elektroder kan stimulera kortikala områden som gränsar till M1 av intresse |
| Unilateral M1 stimulering (TFF) | Polaritet specificitet (riktning retbarhet förändringar i M1 av intresse kan väljas) | Mottagande elektrod (katod) är en aktiv elektrod och kan utöva en confounding effekt på den underliggande hjärnområde Svårt deltagare bländande vid högre stimulerings intensiteter (strömtäthet> 40 | iA / cm 2, t ex.,> 1 mA / 25 cm 2) |
Bilateral M1 stimulering | Polaritet specificitet (riktning retbarhet förändringar i M1 av intresse kan väljas) | Uttalad modulering av interhemispheric anslutning utöver retbarhet ökning av M1 av intresse (önskad minskande effekt på den motsatta M1) Svårt deltagare bländande vid högre stimulerings intensiteter (strömtäthet> 40 | iA / cm 2, t ex.,> 1 mA / 25 cm 2) | Högre risk för nuvarande hunt på grund av närheten av elektroderna |
| Unilateral M1 stimulering (TRNS) | Minst biverkningar Förbättrad deltagare bländande | Ingen polaritet-specificitet Effekter på retbarhet och motorik är mer robust med hög frekvens spektrum (100-640 Hz) |
NEBS, icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering; M1, primära motoriska cortex; TFF, transkraniell likström stimulation; TRNS, transkraniell slumpmässigt brus stimulering
Tabell 1: Fördelar och begränsningar hos TFF och TRNS.
Ur metod synvinkel ämnen alltid ska kontrolleras noggrant för kontraindikationer för NEBS 3,41 med hjälp av enkäter eller standardiserade intervjuer (eg., Keel et al., 2001 25). Dessa skiljer sig inte mellan TFF och TRNS. Absolut NEBS kontraindikationer inkluderar: 1) skalle deformation, t ex på grund av fraktur, eftersom det kan påverka strömflöde och främja oväntade biverkningar,. 2) implanterade medicinska anordningen, till exempel, cochleaimplantat och hjärna stimulator, som NEBS kan negativt påverka medicinteknisk funktion. För användning av TMS (eg., För motoriska cortex lokalisering (se protokoll steg 2)) ferromagnetiska föremål i huvudet / halsområdet, (t ex., Granatsplitter, kirurgiska klämmor) också representera en absolut kontraindikation, som de som objektets kan förskjutas av magnetfältet och utgör en risk för deltagaren. Ytterligare uteslutningskriterierna är valfria och beror på studie mål. Vanliga ytterligare kontraindikationer inkluderar: 1) ålder över 85 år gammal, 2) graviditet; 3) historia av kroniska hudsjukdomar (mestadels om huvudet); 4) negativa effekter på tidigare hjärnstimuleringsprotokoll; 5) historia för frekvent eller svår huvudvärk, t.ex. migrän. 6) haft epileptiska anfall; och 7) pacemaker. För deltagare med pacemaker bör hållas ett minsta säkerhetsavstånd på 10 cm mellan stimulering plats och pacemaker för att undvika störningar med dess funktion.
Ämnen bör inte stimuleras om någon av de absoluta kontraindikationer gäller. Av säkerhetsskäl NEBS enheten ska ha maximal effekt i mA, bör vara batteridriven och bör inte användas när laddaren är ansluten till eluttag. När den appliceras per protokoll, TFF och TRNS är oftast väl tolerated 32. Biverkningar av stimulering kan omfatta klåda, stickningar, och huvudvärk outlasting stimuleringstiden eller utlösa migränattacker. Men från uppskattningsvis 16.000 TFF sessioner (inklusive flera sekventiella sessioner) inga allvarliga TFF biverkningar rapporterades (Bikson M., personlig kommunikation, 2015, meta-analys under utarbetande). Biverkningar kan minimeras genom noggrann stimuleringselektrod förberedelse och placering. Detta omfattar: 1. Skin inspektion för skador, 2. Tillämpning av stimulering via en ledande medium som gummi elektroder täckta med ledande pasta eller med koksaltlösning blöt tvättsvamp, 3. Fading in och ut stimulering (en längre varaktighet av upprampning och retardation (t ex., 15 sek) är associerad med mindre biverkningar), och 4. Impedans kontroll. Deltagarna brukar vänja till hudförnimmelser nedanför elektrod strax efter upprampning stimulering. Med TRNS i de flesta fall hudförnimmelser är mindre eller inte alls alla uppfattas jämfört med TFF (därmed likartade frekvenser av korrekta tillståndet gissning för bluff och TRNS jämfört till högre rätt skick gissning med TFF) 6. Detta kan vara fördelaktigt för studier där optimal bländande deltagare är avgörande. Men i de flesta studier deltagare framgångsrikt förblindade mellan verkliga och sken TFF, åtminstone med låga till medelhöga stimuleringsintensitet 32,42. Detta beror sannolikt på att genomföra en kort ramp upp och ned under flera sekunder i skenläget, vilket gör att stickande känsla 42 men tydligen inte förändra kortikala funktion 2. Använda en "aktiv" bluff läge som framkallar stickningar och släcks stimulering efter några sekunder automatiskt kan vara en överlägsen metod för bländande både deltagare och forskare, jämfört med att helt enkelt placera elektroderna på huvudet av deltagaren och inte starta NEBS enheten .
t "> För jämförbara publikationer visar strömtätheten, elektrodstorlek (dvs., målområde), elektrodplacering, ledande substrat mellan elektrod och hud, varaktighet för upprampning och ner, stimulans varaktighet och biverkningar. Det bör noteras att försäkran om enbart stimuleringsintensiteten är inte tillräckligt för att uppskatta strömtätheten levereras till deltagaren. för dela beräkning av strömtätheten stimuleringsintensiteten (eg., 1 mA, 1,5 mA, 2 mA) av den stimulerade området. till exempel, om stimuleringen intensitet är 1mA och elektrodstorleken är 16 cm 2 beräknad strömtätheten är 0,0625 mA / cm2 (dvs., 1 mA / 16 cm 2 eller 62,5 | iA / cm 2).Ur begreppsmässig synpunkt, flera kortikala områden i motorsystemet är tillgängliga med NEBS, antingen direkt om området ligger nära den kortikala ytan eller via fjärrnätverkseffekter 43,44 26. Använda senare tekniken i en sund deltagare är snabbare och enklare jämfört med användning av TMS-inducerad parlamentsledamöter, men TMS ger överlägsen noggrannhet för att lokalisera den enskilde kortikala motor representation av intresse. Medan behovet av eller den funktionella nytta av användning av en TMS hotspot jämfört med 10/20 systemet är ännu oprövad, TMS-inducerad parlamentsledamöter visar funktionella integriteten hos M1 och pyramidbanan. För patienter med hjärnskada (t.ex. stroke) TMS-inducerad parlamentsledamöter därför företrädesvis används för att lokalisera motorn kortikala representation eftersom det kan vara till stor del flyttas på grund av skada storlek och läge, och sekundära motoriska områden kan generera motorutgången.
NEBS elektrodstorleken eller montage kan påverka kortikala områden som gränsar till regionen av intresse, resulterande i begränsad focality av stimuleringen självt
Mest robusta beteendeeffekter finns vanligen när stimulering och uppgift utförande eller utbildning genomförs samtidigt 13. Inkonsekventa resultat har rapporterats för NEBS och uppgifter anbringas i följd en. Andra elektrod montage som nyligen utvecklade HD-TFF kan öka stimulering focality 48,49 men kräver framtida utredning om beteende konsekvenser. Kontrollerade studier utvärderar Trns effekter på takts motor rehabilitering och lärande, samt jämförande studier av olika NEBS strategier i patientpopulationer är i stort sett saknas. Framtida studier med NEBS av den humana motoriska systemet är nödvändiga för en bättre förståelse av löften och fallgropar för NEBS i kliniska tillämpningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
MC och JR stöds av den tyska Research Foundation (DFG RE 2740 / 3-1).
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 |
References
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr Opin Neurol. 24 (6), 590-596 (2011).
- Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (3), 633-639 (2000).
- Nitsche, M. A., Cohen, L. G., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1 (3), 206-223 (2008).
- Terney, D., Chaieb, L., Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation. J Neurosci. 28 (52), 14147-14155 (2008).
- Kidgell, D. J., Goodwill, A. M., Frazer, A. K., Daly, R. M. Induction of cortical plasticity and improved motor performance following unilateral and bilateral transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex. BMC Neurosci. 14 (1), 64 (2013).
- Prichard, G., Weiller, C., Fritsch, B., Reis, J. Brain Stimulation Effects of Different Electrical Brain Stimulation Protocols on Subcomponents of Motor Skill Learning. Brain Stimul. 7 (4), 532-540 (2014).
- Antal, A., Paulus, W., Hunter, M. A. Transcranial alternating current stimulation ( tACS ). Front Hum Neurosci. 7, 1-4 (2013).
- Collins, J. J., Chow, C. C., Imhoff, T. T. Stochastic resonance without tuning. Nature. 376 (6537), 236-238 (1995).
- Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1702-1712 (2013).
- Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. the Action of Brief Polarizing Currents on the Cerebral Cortex of the Rat (1) During Current Flow and (2) in the Production of Long-Lasting After-Effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
- Fritsch, B., Reis, J., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: Potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Galea, J. M., Celnik, P. Brain polarization enhances the formation and retention of motor memories. J Neurophysiol. 102 (1), 294-301 (2009).
- Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but Not Sleep-Dependent Consolidation of tDCS-Enhanced Visuomotor Skills. Cereb Cortex. (1), 1-9 (2013).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front Hum Neurosci. 7 (8), 435 (2013).
- Sehm, B., Kipping, J., Schäfer, A., Villringer, A., Ragert, P. A Comparison between Uni- and Bilateral tDCS Effects on Functional Connectivity of the Human Motor Cortex. Front Hum Neurosci Neurosci. 7 (4), 183 (2013).
- Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Electrode-distance dependent after-effects of transcranial direct and random noise stimulation with extracephalic reference electrodes. Clin Neurophysiol. 121 (12), 2165-2171 (2010).
- Bikson, M., Rahman, a, Datta, a Computational Models of Transcranial Direct Current Stimulation. Clin EEG Neurosci. 43 (3), 176-183 (2012).
- Opitz, A., Paulus, W., Will, A., Thielscher, A. Determinants of the electric field during transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 109, 140-150 (2015).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Reis, J., Schambra, H. M., 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 (5), 1590-1595 (2009).
- Batsikadze, G., Moliadze, V., Paulus, W., Kuo, M. -F., Nitsche, M. a Partially non-linear stimulation intensity-dependent effects of direct current stimulation on motor cortex excitability in humans. J Physiol. 591 (7), 1987-2000 (2013).
- Wiethoff, S., Hamada, M., Rothwell, J. C. Variability in response to transcranial direct current stimulation of the motor cortex. Brain Stimul. 7 (3), 468-475 (2014).
- Mordillo-Mateos, L., Turpin-Fenoll, L., et al. Effects of simultaneous bilateral tDCS of the human motor cortex. Brain Stimul. 5 (3), 214-222 (2012).
- Tazoe, T., Endoh, T., Kitamura, T., Ogata, T. Polarity Specific Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Interhemispheric Inhibition. PLoS One. 9 (12), e114244 (2014).
- Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 112, 720 (2000).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
- Brasil-Neto, J. P., Cohen, L. G., Panizza, M., Nilsson, J., Roth, B. J., Hallett, M. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9 (1), 132-136 (1992).
- Mills, K., Boniface, S., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85 (1), 17-21 (1992).
- Rothwell, J., Hallett, M., Berardelli, A., Eisen, A., Rossini, P., Paulus, W. Magnetic stimulation motor evoked potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 52, 97-103 (1999).
- Ueno, S., Tashiro, T., Harada, K. Localized stimulation of neural tissues in the brain by means of a paired configuration of time-varying magnetic fields. J Appl Phys. 64 (10), 5862-5864 (1988).
- Fleming, M. K., Sorinola, I. O., Newham, D. J., Roberts-Lewis, S. F., Bergmann, J. H. M. The effect of coil type and navigation on the reliability of transcranial magnetic stimulation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 20 (5), 617-625 (2012).
- Brunoni, A. R., Amadera, J., Berbel, B., Volz, M. S., Rizzerio, B. G., Fregni, F. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int J Neuropsychopharmacol. 14 (8), 1133-1145 (2011).
- Palm, U., Reisinger, E., et al. Brain Stimulation Evaluation of Sham Transcranial Direct Current Stimulation for Randomized, Placebo-Controlled Clinical Trials. Brain Stimul. 6 (4), 690-695 (2013).
- Sehm, B., Schäfer, A., et al. Dynamic modulation of intrinsic functional connectivity by transcranial direct current stimulation. J Neurophysiol. 108 (12), 3253-3263 (2012).
- Nitsche, M. A., Schauenburg, A., et al. Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. J Cogn Neurosci. 15 (4), 619-626 (2003).
- Antal, A., Begemeier, S., Nitsche, M. A., Paulus, W. Prior state of cortical activity influences subsequent practicing of a visuomotor coordination task. Neuropsychologia. 46 (13), 3157-3161 (2008).
- Kang, E. K., Paik, N. J. Effect of a tDCS electrode montage on implicit motor sequence learning in healthy subjects. Exp Transl Stroke Med. 3 (1), 4 (2011).
- Kantak, S. S., Mummidisetty, C. K., Stinear, J. W. Primary motor and premotor cortex in implicit sequence learning - Evidence for competition between implicit and explicit human motor memory systems. Eur J Neurosci. 36 (5), 2710-2715 (2012).
- Nissen, M. J., Bullemer, P. Attentional requirements of learning: Evidence from performance measures. Cogn Psychol. 19 (1), 1-32 (1987).
- Stagg, C. J., Jayaram, G., Pastor, D., Kincses, Z. T., Matthews, P. M., Johansen-berg, H. Polarity and timing-dependent effects of transcranial direct current stimulation in explicit motor learning. Neuropsychologia. 49 (5), 800-804 (2011).
- Poreisz, C., Boros, K., Antal, A., Paulus, W. Safety aspects of transcranial direct current stimulation concerning healthy subjects and patients. Brain Res Bull. 72 (4-6), 208-214 (2007).
- 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 (4), 845-850 (2006).
- Baudewig, J., Nitsche, M. A., Paulus, W., Frahm, J. Regional modulation of BOLD MRI responses to human sensorimotor activation by transcranial direct current stimulation. Magn Reson Med. 45 (2), 196-201 (2001).
- Venkatakrishnan, A., Sandrini, M. Combining transcranial direct current stimulation and neuroimaging: novel insights in understanding neuroplasticity. J Neurophysiol. 107 (1), 1-4 (2012).
- Neuling, T., Wagner, S., Wolters, C. H., Zaehle, T., Herrmann, C. S. Finite-element model predicts current density distribution for clinical applications of tDCS and tACS. Frontiers in Psychiatry. 3, 1-10 (2012).
- Bikson, M., Rahman, A. Origins of specificity during tDCS anatomical, activity-selective, and input-bias mechanisms. Front Hum Neurosci. 7, 1-5 (2013).
- Truong, D. Q., Hüber, M., et al. Brain Stimulation Clinician Accessible Tools for GUI Computational Models of Transcranial Electrical Stimulation BONSAI and SPHERES. Brain Stimul. 7 (4), 521-524 (2014).
- Caparelli-Daquer, E. M., Zimmermann, T. J., et al. A Pilot Study on Effects of 4x1 High-Definition tDCS on Motor Cortex Excitability. Proc Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc EMBS. , 735-738 (2012).
- Kuo, H. I., Bikson, M., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
