Summary
la stimolazione non invasiva elettrica cerebrale in grado di modulare la funzione e il comportamento corticale, sia per la ricerca e scopi clinici. Questo protocollo descrive diversi approcci stimolazione cerebrale per la modulazione del sistema motorio umano.
Abstract
la stimolazione elettrica del cervello non invasiva (NEBS) viene utilizzato per modulare la funzione del cervello e il comportamento, sia per la ricerca e scopi clinici. In particolare, NEBS può essere applicato transcranially sia come stimolo corrente continua (tDCS) o alternata stimolazione corrente (TAC). Questi tipi di stimolazione esercitano tempo-, dose-e, nel caso di tDCS effetti specifici di polarità sulla funzione motoria e la capacità di apprendimento nei soggetti sani. Ultimamente, tDCS è stato utilizzato per aumentare la terapia delle disabilità motorie in pazienti con disturbi ictus o movimento. Questo articolo fornisce un protocollo di step-by-step per il targeting la corteccia motoria primaria con tDCS e la stimolazione transcranica rumore casuale (Trns), una specifica forma dei TAC utilizzando una corrente elettrica applicata in modo casuale all'interno di una gamma di frequenza predefinita. La messa a punto di due diversi montaggi di stimolazione è spiegato. In entrambi i montaggi l'elettrodo emettitore (l'anodo per tDCS) è posto sulla corteccia motoria primaria di interesse. Perstimolazione corteccia motoria unilaterale l'elettrodo ricezione viene posto sulla fronte controlaterale mentre per la stimolazione bilaterale corteccia motoria l'elettrodo ricezione è posto sul fronte corteccia motoria primaria. I vantaggi e gli svantaggi di ogni montaggio per la modulazione di eccitabilità corticale e la funzione motoria compreso l'apprendimento sono discussi, così come la sicurezza, la tollerabilità e gli aspetti accecanti.
Introduction
La stimolazione non invasiva elettrica del cervello (NEBS), la somministrazione di correnti elettriche al cervello attraverso il cranio intatto, può modificare la funzione e il comportamento del cervello 1 - 3. Per ottimizzare il potenziale terapeutico delle strategie NEBS La comprensione dei meccanismi sottostanti che portano ad effetti neurofisiologici e comportamentali è ancora necessario. Standardizzazione di applicazione in diversi laboratori e la piena trasparenza delle procedure di stimolazione fornisce la base per la comparabilità dei dati che supporta l'interpretazione affidabile dei risultati e la valutazione dei meccanismi d'azione proposti. Transcranial stimolazione corrente (tDCS) transcranica o alternata stimolazione corrente (TAC) differiscono dai parametri della corrente elettrica applicata: tDCS costituito da un flusso di corrente costante unidirezionale tra due elettrodi (anodo e catodo) 2 - 6 tACS mentre utilizza una corrente alternata applicata allafrequenza specifica 7. Stimolazione transcranica rumore casuale (Trns) è una forma speciale dei TAC che utilizza una corrente alternata applicata a frequenze casuali (ad es., 100-640 Hz) con conseguente rapidamente diverse intensità di stimolazione e la rimozione di polarità legate 4,6,7. La polarità è solo di rilevanza se l'impostazione stimolazione comprende compensato una stimolazione, per esempio, spettro del rumore casuale che cambia intorno a un mA intensità +1 linea di base (di solito non utilizzato). Ai fini di questo articolo, ci concentreremo sul lavoro utilizzando tDCS e gli effetti Trns sul sistema motorio, seguendo da vicino una recente pubblicazione dal nostro laboratorio 6.
I meccanismi alla base di azione di Trns sono ancora meno capito che di tDCS, ma probabilmente diversa da quest'ultima. Teoricamente, nel quadro concettuale della risonanza stocastica Trns introduce rumore stimolazione indotta da un sistema neuronale che può fornire un beneficio di elaborazione del segnale alterando °e rapporto segnale-rumore 4,8,9. TRNS può prevalentemente amplificare i segnali deboli e potrebbe quindi ottimizzare l'attività cerebrale compito specifico (endogena rumore 9). Anodal tDCS aumenta corticale eccitabilità indicato dalla alterazione della frequenza di scarica neuronale spontanea 10 o maggiore motore potenziali evocati (MEP) ampiezze 2 con gli effetti superando la durata stimolo per minuti a ore. aumenta lunga durata di efficacia sinaptica noto come potenziamento a lungo termine si ritiene contribuiscano all'apprendimento e alla memoria. Infatti, anodica tDCS migliora l'efficacia sinaptica del motore sinapsi corticali ripetutamente attivati da un debole ingresso sinaptico 11. In accordo, l'acquisizione di una migliore funzione motoria / abilità è spesso rivelata solo se la stimolazione è co-applicato con la formazione del motore 11 - 13, anche suggerendo sinaptica co-attivazione come prerequisito di questo processo di attività-dipendente. Tuttavia, la causalità tra gli aumenti in cnon è stato dimostrato eccitabilità ortical (aumento della frequenza di scarica o MEP ampiezza) da un lato e una migliore efficacia sinaptica (LTP o funzione del comportamento quali l'apprendimento motore) dall'altro.
NEBS applicata alla corteccia motoria primaria (M1) ha attirato un crescente interesse come metodo sicuro ed efficace per modulare la funzione motoria umana 1. Effetti neurofisiologici e comportamentali risultato può dipendere dalla strategia di stimolazione (ad esempio, tDCS polarità o Trns), le dimensioni degli elettrodi e del montaggio 4 - 6,14,15. Oltre a fattori anatomici e fisiologici disciplinari inerenti il montaggio degli elettrodi influenza in modo significativo la distribuzione del campo elettrico e può portare a diversi modelli di attuale diffusione all'interno della corteccia 16 - 18. Oltre all'intensità della corrente applicata la dimensione degli elettrodi determina la densità di corrente erogata 3. montaggi elettrodo comunein motoria umana studi sistema includono (Figura 1): 1) anodica tDCS come la stimolazione unilaterale M1 con l'anodo posizionato sulla M1 di interesse e il catodo posizionato sulla fronte controlaterale; l'idea di base di questo approccio è upregulation dell'eccitabilità nella M1 di interesse 6,13,19 - 22; 2) anodica tDCS come la stimolazione bilaterale M1 (anche denominato stimolazione "bihemispheric" o "dual") con l'anodo posizionato sulla M1 di interesse e il catodo posizionato sul controlaterale M1 5,6,14,23,24; l'idea di base di questo approccio è di massimizzare i vantaggi di stimolazione da upregulation di eccitabilità nel M1 di interesse, mentre downregulating eccitabilità nel M1 opposto (vale a dire, la modulazione di inibizione interemisferica tra le due M1); 3) Per Trns, solo il unilaterale stimolazione montaggio M1 di cui sopra è stata investigated 4,6; con questo montaggio eccitabilità potenziando gli effetti di Trns sono stati trovati per lo spettro di frequenza di 100-640 Hz 4. La scelta della strategia di stimolazione cerebrale ed elettrodo montaggio rappresenta un passo fondamentale per un uso efficiente e affidabile di NEBS in ambito clinico o di ricerca. Qui queste tre procedure NEBS sono descritte in dettaglio come utilizzare in studi di sistema motore umane e aspetti metodologici e concettuali sono discussi. Materiali per tDCS unilaterali o bilaterali e Trns unilaterali sono gli stessi (Figura 2).
Figura 1. montaggi elettrodi e direzione della corrente per le strategie NEBS distinti. (A) Per unilaterale anodica stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS), l'anodo è centrata sulla corteccia motoria primaria di interesse e il catodo posizionato su tegli controlaterale zona sovra-orbitale. (B) Per la stimolazione corteccia motoria bilaterale, anodo e catodo sono situate ciascuna su una corteccia motoria. La posizione dell'anodo determina la corteccia motoria di interesse per tDCS anodica. (C) Per la stimolazione rumore casuale transcranial unilaterale (Trns), un elettrodo si trova sulla corteccia motoria e l'altro elettrodo sull'area sovra-orbitale controlaterale. Il flusso di corrente tra gli elettrodi è indicato dalla freccia nera. Anodo (+, rosso), il catodo (-, blu), Corrente alternata (+/-, verde). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Protocol
Dichiarazione etica: studi umani richiede il consenso informato scritto dei partecipanti prima dell'ingresso nello studio. Ottenere l'approvazione da parte del comitato etico competente prima di reclutamento dei partecipanti. Assicurarsi che gli studi sono in accordo con la Dichiarazione di Helsinki. I risultati rappresentativi qui riportati (Figura 4) si basano su uno studio condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki modificata dalla 59 a Assemblea Generale, Seoul, ottobre 2008 e approvato dal Comitato Etico locale dell'Università di Friburgo. Tutti i soggetti hanno firmato un consenso informato prima di studio ingresso 6.
1. Screening di sicurezza
- Schermo partecipante per eventuali controindicazioni per la stimolazione cerebrale non invasiva 3, ad esempio., Utilizzando questionari 25.
2. Motore Cortex Localizzazione
- Individuare corteccia motoria mano del partecipante da uno dei due diapprocci Stinct, individuando la rappresentazione cerebrale del muscolo di interesse da parte di stimolazione magnetica transcranica (TMS) indotta MEP, o per localizzare la posizione M1 standard (C3 / C4) sulla base del sistema internazionale EEG 10/20 con un nastro di misurazione 26 .
- Per la registrazione MEP TMS-indotta chiedere al partecipante di rimuovere qualsiasi oggetto che può essere influenzato dal campo magnetico TMS, tra cui carte di credito, telefoni cellulari e oggetti metallici in genere.
- Chiedi ai partecipanti di sedersi comodamente.
- Verificare le connessioni tra l'amplificatore EMG e il computer utilizzato per la configurazione del segnale e di acquisizione quando si utilizza un'interfaccia software.
- Accendere l'amplificatore EMG e collegare i cavi degli elettrodi EMG.
- la pelle pulita del partecipante da dolcemente sfregamento con pasta di preparazione della cute nelle regioni della mano in cui verranno collocati gli elettrodi. Rimuovere l'eccesso con tampone di garza pulita.
- Fissare elettrodi di superficie EMG in un montaggio pancia-tendineo sul muscolo manointeresse (ad es., M. abduttore breve del pollice della mano destra) e collegare un elettrodo di massa (ad es., sull'avambraccio). Lo scopo dello studio determina quale muscolo della mano da utilizzare.
Nota: Per elettrodi riutilizzabili è necessario applicare una piccola quantità di pasta conduttiva sulla superficie dell'elettrodo prima di collegarlo alla pelle del partecipante. - (Passaggio facoltativo) Avviare il software di registrazione per l'acquisizione MEP se la memorizzazione dei dati MEP è desiderato.
- Controllare i valori di impedenza EMG. Assicurarsi che l'impedenza è <20 kOhm.
- Accendere lo stimolatore magnetico e caricare il condensatore premendo il relativo tasto "carica".
- Posizionare una bobina TMS cifra di otto sul cuoio capelluto partecipante sulla fessura interemisferica e spostarlo nella zona corteccia motoria (circa posizioni C3 / C4 del sistema internazionale EEG 10/20). Tenere la bobina TMS ad un angolo di 45 ° -50 o fa riferimento al fissu interemisfericore 27,28, con il manico orientato all'indietro, producendo un flusso di corrente da corticale posteriore ad anteriore 29.
Nota: due bobine TMS distinti sono utilizzati per la localizzazione corteccia motoria: la figura di otto o di bobine circolari. Se possibile, utilizzare una bobina cifra di otto in quanto fornisce la stimolazione cerebrale focale più 30 e una maggiore affidabilità delle misurazioni di eccitabilità corticale 31. - Quando lo stimolatore magnetico viene addebitato (visibile sul display), scaricare l'stimolatore premendo il pulsante a scatto o per salire sulla pedale o automaticamente da un programma software. Questo successivamente fornire un singolo impulso TMS attraverso la bobina TMS collegato posto sopra cuoio capelluto del partecipante. Impostazioni predefinite di impulsi TMS (es., 100 ms tempo di salita del tempo di decadimento attuale e 800 ms indotto per stimoli monofase; tempi di decadimento più brevi per gli stimoli bifasico) sono specifici per il dispositivo (firmware).
- Inizia con bassa intensità di stimolazione (ad es., Impostare l'intensità di uscita del 45% con la manopola di controllo intensità di stimolazione sul stimolatore) e guardare per i deputati visibili dell'amplificatore EMG.
- Se non è MEP aumento visibile l'intensità di stimolazione a passi 2-5% fino a un deputato è ben presente (ad es., 0,5-1 mV di ampiezza). Ripetere la stimolazione premendo il pulsante a scatto o attivando l'interruttore a pedale se la consegna polso non è automatizzato. Informare il partecipante che la stimolazione sarà leggermente più forte e che i movimenti degli arti, contrazione del viso e degli occhi-lampeggia sono attesi.
Nota: Stabilire un intervallo minimo di 5 secondi tra gli impulsi al fine di evitare effetti di stimolazione a bassa frequenza sul eccitabilità del cervello.
- Se non è MEP aumento visibile l'intensità di stimolazione a passi 2-5% fino a un deputato è ben presente (ad es., 0,5-1 mV di ampiezza). Ripetere la stimolazione premendo il pulsante a scatto o attivando l'interruttore a pedale se la consegna polso non è automatizzato. Informare il partecipante che la stimolazione sarà leggermente più forte e che i movimenti degli arti, contrazione del viso e degli occhi-lampeggia sono attesi.
- Spostare la bobina radialmente a 1 cm in tutto il sito inizialmente stimolato per trovare il punto con la più grande risposta eurodeputato a seguito dell'applicazione di impulsi singoli TMS. Da lì, avviare di nuovo in movimento la bobina di garantireil "hotspot" (area corticale con ampiezza MEP massima).
Nota: L'uso di un tappo di testa (es., Utilizzato per segni della griglia) per la procedura di localizzazione è sconsigliato in quanto il tappo deve essere rimosso per il posizionamento degli elettrodi NEBS e la posizione hotspot può essere perso. - Ridurre l'intensità di stimolazione in circa il 2% -steps tramite la manopola di controllo intensità di stimolazione sul stimolatore (MEP deve essere ancora presente). Ciò eviterà imprecisione dovuta alla stimolazione sovramassimale. Riconfermare l'hotspot spostando la bobina radialmente a 1 cm in tutto il hotspot e controllo per le dimensioni MEP. L'hotspot deve ancora corrispondere alla più grande e più coerente l'ampiezza MEP.
Nota: Chiedere al partecipante di contrarre volontariamente il muscolo di interesse se l'hotspot è difficile da trovare (es., Nessun europarlamentare presenti ad intensità elevate di stimolazione). In questo modo, l'intensità di stimolazione necessario per ottenere MEP viene diminuitoe può essere più facile per identificare i relativi siti di stimolazione corticale. Se si utilizza questo metodo, chiedere al partecipante di rilassare il muscolo dopo aver trovato un sito di stimolazione rilevante e regolare l'intensità di stimolazione in modo che i deputati affidabili possono essere trovati quando il muscolo è a riposo. Procedere per trovare l'hotspot. - Segnare la posizione di hotspot e l'orientamento della bobina con l'indicatore della pelle non permanente.
- Per la stimolazione bilaterale M1, ripetere i passaggi 2,11-2,16 per l'arto controlaterale.
3. NEBS elettrodi Preparazione
- Collegare i cavi agli elettrodi in gomma, e posizionare gli elettrodi all'interno dei sacchetti di spugna. Verificare che le dimensioni degli elettrodi e la dimensione sponge bag corrispondono. I materiali sono disponibili in commercio in dimensioni standard (ad es., 5x5 cm 2, 5x7 cm 2).
- Mettere a bagno i sacchetti di spugna su entrambi i lati con soluzione isotonica di NaCl, ma evitare di ammollo eccessiva per evitare ponti salini o gocciolamento sul volontariato.
- Questo passaggio è optionaL: Per evitare la dispersione della soluzione di NaCl quando si usano bende invece di elastici, posizionare gli elettrodi e le borse spugna all'interno non conduttivi coperture spugna di gomma.
Nota: In alternativa, coprire l'elettrodo di gomma con pasta conduttiva e metterli direttamente sulla testa del partecipante, vale a dire, non usare sacchetti di spugna o coperture spugna di gomma.
- Questo passaggio è optionaL: Per evitare la dispersione della soluzione di NaCl quando si usano bende invece di elastici, posizionare gli elettrodi e le borse spugna all'interno non conduttivi coperture spugna di gomma.
4. NEBS Posizionamento degli elettrodi (Figura 1)
- Trovare la testa di marcatura (s) che indica il punto di attivazione corticale del motore e separare i capelli intorno alla zona.
- Per migliorare la conduttanza pulire la pelle prima di posizionamento degli elettrodi strofinando delicatamente l'area pelle intorno le marcature di testa con un tampone imbevuto di 40-50% di alcool o pasta di preparazione della pelle. Non graffiare la pelle! Rimuovere l'eccesso con un tampone e zona pulita di nuovo con soluzione isotonica di NaCl. Asciugare l'area in seguito.
Nota: Assicurarsi che la marcatura (s) rimangono visibili testa; osservare se necessario. Posizionare un elettrodo a seguito della marcatura per la M1 di interesse (controlaterale alla mano di interesse) testa. Portare la spugna il più possibile a contatto diretto con la pelle. Posizionare il cavo dell'elettrodo verso la schiena del partecipante al fine di evitare disturbi durante la stimolazione e / o esecuzione delle attività e per facilitare il collegamento al dispositivo NEBS.
Nota: I capelli sotto l'elettrodo dovrebbe ottenere umido. In caso di eccessiva umidificazione capelli, utilizzare carta o asciugamani per assorbire l'eccesso.
Nota: Per anodica tDCS, l'elettrodo posto sul hotspot corticale del motore di interesse (aumento dell'eccitabilità è desiderato) corrisponde l'anodo, di solito collegato al cavo rosso. Il catodo (di solito collegato ad un cavo nero o blu) viene posto sulla zona sopraorbitale opposto o M1 (vedi sotto). Convenzionalmente, posizionamento dell'elettrodo è uguale per Trns, anche se nel protocollo classica non c'è specificità polarità causa del curren alternataflusso t. posizionamento specifico può essere importante se le impostazioni di stimolazione includono un offset stimolazione. - Per unilaterale posto stimolazione M1 il secondo elettrodo (per anodica tDCS: il catodo) sopra l'area sovra-orbitale controlaterale (corrispondente all'elettrodo Fp2 nel sistema internazionale EEG 10/20). Assicurarsi che il cavo sia orientato verso la parte posteriore del partecipante.
- Per la stimolazione bilaterale M1 saltare il punto 4.4. Posizionare il secondo elettrodo (per anodica tDCS: il catodo) sul M1 opposta seguito la marcatura ipsilaterale all'arto utilizzato nello studio testa. Assicurarsi che il cavo sia orientato verso la parte posteriore del partecipante.
- Coprire la testa due volte con un bendaggio elastico circolarmente in senso medio-laterale per stabilizzare l'elettrodo M1, quindi utilizzare il bendaggio rimanente per coprire la testa circolarmente in senso antero-posteriore per stabilizzare entrambi gli elettrodi.
- Utilizzare un nastro adesivo per fissare la fine della Bandage.
- Fissare i cavi con un nastro adesivo su collo o della camicia del partecipante.
- Collegare i cavi degli elettrodi al dispositivo NEBS.
Figura 2. I materiali utilizzati per i protocolli NEBS. Materiali convenzionali utilizzati in protocolli di stimolazione elettrica cerebrale non invasive comprendono un dispositivo di NEBS, cavi degli elettrodi, elettrodi in gomma conduttiva, sacchetti di spugna perforata, la copertura in gomma spugna (optional), soluzione isotonica di NaCl e bende. Si prega clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
5. stimolazione
- Accendere il dispositivo NEBS.
- Regolare le impostazioni del dispositivo NEBS per quanto riguarda il tipo di stimolazione (tDCS o Trns), intensità (per es., 1 mA, 1,5 mA o 2 mA), la durata (ad es., 10-40 ma), rampa su e giù (il tempo tra l'inizio della stimolazione e la massima intensità, tipicamente 8-15 sec), e altri fattori legati al tipo di stimolo (ad esempio, dello spettro di frequenza per Trns).
Nota: Convenzionalmente, la stimolazione sham comprende dilagare immediatamente seguito da rampa verso il basso. Di conseguenza, il partecipante ha la sensazione di stimolazione, ma la durata della stimolazione non è sufficiente esercitare effetti durevoli sulla funzione cerebrale. Alcuni dispositivi NEBS includono una modalità di studio che permette di accecamento di partecipante e ricercatore inserendo un codice specifico argomento di studio. Il codice determina automaticamente le impostazioni di stimolazione. In alternativa, un secondo sperimentatore può configurare le impostazioni di stimolazione in ogni sessione e coprire il display da sperimentatore condurre la stimolazione. - Informare il partecipante su potenziali effetti collaterali associati con NEBS. effetti collaterali comuni includono la pelle prurito / formicolio o sensazione di bruciore unGe- gli elettrodi, mal di testa, e il disagio 32. Sensazione di bruciore può essere un segno di scarso contatto degli elettrodi con la pelle.
- Avviare la stimolazione.
Nota: la durata stimolazione comune una durata di circa 10-20 minuti in base a rapporti che analizzano i cambiamenti su eccitabilità corticale (vedi sezione rappresentativa risultati). Empiricamente, la durata massima stimolazione è stato fissato a 40 min 3. - Controllare la continuità della stimolazione durante il dilagare e di stimolo. Se l'impedenza è troppo alta o elettrodi sono in cattivo contatto con la pelle, la stimolazione può terminare automaticamente.
Nota: Nel caso in cui l'impedenza è troppo alta o le relazioni dei partecipanti crescente disagio durante la stimolazione cercare di diminuire l'impedenza da, ad esempio, una migliore fissarsi gli elettrodi presso i siti di stimolazione o l'aggiunta di mezzo conduttivo. soluzione NaCl può essere aggiunto usando una siringa direttamente in spugne dopo il loro inserimento on testa.
Nota: Per motivi di sicurezza alcuni dispositivi segnalano l'impedenza durante la stimolazione. Il dispositivo può NEBS spegne se l'impedenza raggiunge una determinata soglia (ad es., 55 kOhm). - Se NEBS è co-applicato con l'esecuzione di un compito motorio, avviare il test / allenamento dopo la stimolazione viene accelerata e il partecipante è sentirsi a proprio agio con la stimolazione. Nel caso in cui lo studio non include un compito motorio durante la stimolazione, assicurarsi che il partecipante rimane seduto e sveglio durante il periodo di stimolazione, e attendere fino a quando la stimolazione è finita.
- Verificare con il partecipante per gli effetti collaterali della stimolazione, ad es., Distribuendo un questionario standardizzato 32 o direttamente chiedendo il partecipante. In caso di studi, tra cui più giorni di stimolazione, prendere nota di eventuali effetti collaterali tra i giorni.
Nota: Per la valutazione della efficacia accecante, chiedere al partecipante dopo ogni sessio stimolazionen indovinare quale tipo di stimolazione (sham / condizione) il partecipante ha subito. Se lo sperimentatore è anche cieco, lo sperimentatore potrebbe anche notare la sua ipotesi per quanto riguarda il tipo di stimolazione del partecipante. Confronto risposte con il tipo di stimolazione reale per verificare tasso di risposte corrette 33. - Disinfettare elettrodi e spugne con sostanze non pericolose, come il 40-50% di alcol. Sciacquare accuratamente in acqua in seguito. Lasciate materiali asciutto prima di riporlo.
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Representative Results
Per studiare gli effetti del NEBS sul sistema motorio umano, è importante prendere in considerazione misure di esito del caso. Un vantaggio del sistema motorio è l'accessibilità delle rappresentazioni corticali di strumenti elettrofisiologiche. Potenziali evocati motori sono spesso utilizzati come indicatore della corticale del motore eccitabilità. Dopo l'applicazione di 9 o più minuti di anodica tDCS ad una densità di corrente di 29 ìA / cm 2, corticale motore eccitabilità viene aumentata per almeno 30 min nella maggioranza dei volontari sani 19,21,22 (vedere anche figura 3). Catodica tDCS provoca per lo più il contrario (dell'eccitabilità-decrescente) o nessun effetto 19,22. Tuttavia, come discusso di recente 22, vi è una certa variabilità nella direzione risposta, con alcuni soggetti che indicano la direzione opposta dell'effetto per anodica e tDCS catodica. Ciò deve essere tenuto in considerazione per il calcolo dimensione del campionein studi con NEBS. È interessante notare che i cambiamenti paragonabili a M1 eccitabilità sono stati trovati dopo tDCS unilaterali e bilaterali 5,23 e semplice funzione del motore è stata migliorata in modo simile direttamente dopo ogni tipo di stimolazione 5. Quindi è attualmente sotto inchiesta se ulteriore down-regolazione della eccitabilità del controlaterale M1 utilizzando il montaggio bilaterale M1 esercita vantaggi specifici per comportamento motorio (vedi sotto). Al contrario, lo stato di riposo fMRI ha chiaramente indicato diverse modifiche della rete corticale: tDCS bilaterale modula connettività funzionale nel motore primaria e secondaria e nelle aree prefrontali, mentre unilaterale tDCS modula la connettività funzionale prefrontale, parietale e aree cerebellari 34.
Trns ha appena sviluppato come strumento per modulare l'eccitabilità corticale 4. A causa della corrente alternata Trns viene applicata senza polarità specificità (finché cinon è compensato di intensità di stimolazione). Tuttavia, l'efficienza di Trns sembra dipendere lo spettro del rumore applicata, con alte frequenze (100-640 Hz) mostrano effetti più robusti rispetto alle frequenze basse (<100 Hz) 4. Quando direttamente rispetto al tDCS anodica unilaterali, una simile, ma leggermente più lungo della durata di aumento di M1 eccitabilità (misurata dalla variazione MEP di ampiezza) è stato trovato dopo Trns unilaterali (Figura 3).
Figura corso 3. Tempo di corticale motore eccitabilità dopo diverse strategie NEBS. L'ampiezza MEP è mostrato come una funzione di tempo prima e dopo 10 min di unilaterale stimolazione anodica transcranica diretta (tDCS) o stimolazione transcranica rumore casuale (Trns) applicata al primario corteccia motoria ad una densità di corrente di 29 ìA / cm 2 (1 mA / 35 cm 2). Le barre di errore indicate errore standard. Si noti che Trns esercita effetti simili sulla corticale motore eccitabilità rispetto al Anodal tDCS. MEP ampiezza ritorna ai livelli basali dopo circa 50 minuti per anodica tDCS e dopo 90 minuti per Trns. Da Terney et al. (2008) 4 con il permesso. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Nonostante l'eterogeneità dei disegni di studio, un concetto comune comincia ad evolversi da studi NEBS test gli effetti della tDCS e Trns sulla funzione motoria: NEBS influenza le prestazioni o le capacità motorie, quando contemporaneamente applicato con formazione / test. Anodal tDCS e Trns applicata la stimolazione unilaterale o M1 tDCS anodica applicati come la stimolazione bilaterale M1 durante l'allenamento sono stati tutti dimostrato di migliorare implicita sequenza di apprendimento motorio 4,35 - 38 sul riatti di serieil compito di tempo 39. Allo stesso modo, tDCS anodica unilaterali applicate durante l'allenamento del motore ha dimostrato di aumentare il tasso di apprendimento in un motore esplicito apprendimento paradigma 40. Tuttavia, gli effetti di stimolazione catodica su apprendimento motorio implicita ed esplicita sembrano essere diverse: mentre tDCS catodica durante l'allenamento non ha influenzato significativamente la sequenza di apprendimento durante l'apprendimento motorio implicita 35, è stato segnalato per influenzare negativamente motore esplicito di apprendimento 40. Le ragioni di questa discrepanza bisogno di ulteriori indagini.
In precedenti indagini incentrate su più complessa abilità motoria apprendimento su più giorni anodica tDCS applicati come la stimolazione unilaterale M1 durante la formazione notevolmente migliorato l'abilità visuo-motoria di apprendimento 13,20. Abilità stata determinata dalle variazioni nella precisione di movimento in funzione della velocità di movimento (cioè, la velocità precisione-tradeoff). Sorprendentemente, in un confronto diretto di montaggi elettrodi e tipi di stimolazione, sia unilaterale che bilaterale M1 anodica tDCS e Trns unilaterali tutto arricchito abilità di apprendimento su una parola visuomotorio e lettera tracciamento compito 6 (Figura 4A). Per quanto riguarda i meccanismi, è attualmente noto se tDCS e Trns operano gli stessi meccanismi di azione. Tuttavia, il periodo di tempo di utili abilità all'interno sessione chiaramente differiva tra tDCS e Trns: tDCS unilaterali esercita importanti effetti sui guadagni di abilità immediatamente dopo la stimolazione iniziato. Al contrario, tDCS bilaterali e Trns lentamente migliorati guadagni abilità durante le sessioni (Figura 4B). Questa divergenza indica temporalmente interazioni specifiche tra il tipo NEBS e il processo di apprendimento del motore. Questo dovrebbe essere considerato al momento di scegliere i tipi di stimolazione per le future indagini del sistema motorio in soggetti sani e pazienti con disturbi neurologici.
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Figura 4. Valorizzazione delle abilità motorie attraverso la formazione e l'aumento da diverse strategie NEBS. Le modifiche (A) in abilità motoria durante tre giorni di formazione del motore per gruppo stimolazione. Abilità aumenta in modo significativo nel corso del tempo nel gruppo di controllo stimolazione sham ed è aumentata ulteriormente ogni strategia NEBS. Plot (B) Dispersione di sottocomponenti di apprendimento motorio. Tutti i gruppi di stimolazione presentano significativamente maggiore di apprendimento complessivo del motore rispetto al gruppo di controllo stimolazione simulata. Solo unilaterale anodica stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) rivela maggiori effetti immediati sul motore di apprendimento -. Cioè, i cambiamenti iniziali di abilità dopo l'insorgenza di stimolazione, rispetto al controllo sham e la stimolazione transcranica rumore casuale (Trns). DC: M1-SO = tDCS unilaterali. DC: M1-M1 = tDCS bilaterali. RN: M1-SO = Trns unilaterali. * P <0.05, ** p <0,01. Le barre di errore = errore standard della media. Da Prichard et al. (2014) 6 con il permesso. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Questo protocollo descrive materiali tipici e fasi procedurali per la modulazione della funzione motoria mano e l'abilità di apprendimento utilizzando NEBS, in particolare la stimolazione unilaterale e bilaterale M1 per anodica tDCS, e Trns unilaterali. Prima di scegliere un particolare protocollo NEBS per uno studio sistema motorio umano, ad esempio., Nel contesto di apprendimento motorio, aspetti metodologici (sicurezza, la tollerabilità, accecante) nonché gli aspetti concettuali (montaggio o di tipo corrente effetti specifici su una particolare regione del cervello) devono essere prese in considerazione. Vantaggi e limitazioni delle tre strategie sono riportati in Tabella 1.
| tipo NEBS | Vantaggio | Limitazione |
| Comune a anodica tDCS e Trns | Sicuro A buon mercato Facile da gestire effetto sulla cortica superandol eccitabilità (fino a 90 min) Il miglioramento della funzione motoria e abilità apprendimento motorio in soggetti sani e pazienti con deficit motori focalità funzionale è raggiunto tramite la combinazione di NEBS con un compito particolare | Strutturale focalità stimolazione è limitata e definita in base alle dimensioni degli elettrodi e montaggio elettrodi più grandi possono stimolare aree corticali adiacenti alla M1 di interesse |
| La stimolazione unilaterale M1 (tDCS) | Polarità specificità (direzione del cambiamento dell'eccitabilità in M1 di interesse può essere scelto) | Ricezione elettrodo (catodo) è un elettrodo attivo e può esercitare un effetto di confusione in area del cervello sottostante Difficile partecipanti accecante ad intensità di stimolazione più elevate (densità di corrente> 40 ìA / cm 2, ad es.,> 1 mA / 25 cm 2) |
La stimolazione bilaterale M1 | Polarità specificità (direzione del cambiamento dell'eccitabilità in M1 di interesse può essere scelto) | Pronunciate modulazione di connessione interemisferica oltre ad aumentare l'eccitabilità della M1 di interesse (effetto desiderato sulla M1 opposta decrescente) Difficile partecipanti accecante ad intensità di stimolazione più elevate (densità di corrente> 40 ìA / cm 2, ad es.,> 1 mA / 25 cm 2) | Più alto rischio di shunt corrente a causa della vicinanza degli elettrodi |
| La stimolazione unilaterale M1 (Trns) | Minimi effetti collaterali Migliorata partecipante accecante | No polarità specificità Effetti sulla eccitabilità e il comportamento del motore sono più solido a spettro ad alta frequenza (100-640 Hz) |
NEBS, la stimolazione elettrica del cervello non invasiva; M1, corteccia motoria primaria; tDCS, transcranica s corrente continuatimulation; Trns, la stimolazione transcranica rumore casuale
Tabella 1: Vantaggi e limiti della tDCS e Trns.
Da un punto di vista metodologico soggetti dovrebbe sempre essere sottoposti a screening accuratamente per controindicazioni per NEBS 3,41 utilizzano questionari o interviste standardizzati (ad es., Chiglia et al., 2001 25). Questi non differiscono tra tDCS e Trns. Le controindicazioni assolute NEBS includono: 1) il cranio deformazione, ad esempio, a causa di frattura, in quanto può influenzare il flusso di corrente e promuovere effetti collaterali imprevisti;. 2) Impiantato dispositivi medici, ad esempio, l'impianto cocleare e il cervello stimolatore, come NEBS può influenzare negativamente medica funzionamento del dispositivo. Per l'utilizzo di TMS (ad es., Per la localizzazione corteccia motoria (vedere il passaggio del protocollo 2)) oggetti ferromagnetici nella zona testa / collo, (ad es., Schegge, clip chirurgiche) rappresentano anche una controindicazione assoluta, come quelli oggettos possono essere dislocate dal campo magnetico e rappresentare un rischio per il partecipante. Altri criteri di esclusione sono opzionali e dipendono dagli scopi di studio. ulteriori controindicazioni comuni includono: 1) età superiore a 85 anni; 2) la gravidanza; 3) storia di disturbi cronici della pelle (soprattutto per quanto riguarda la testa); 4) effetti negativi per i protocolli di stimolazione cerebrale precedenti; 5) la storia di frequente o forte mal di testa, per esempio, l'emicrania.; 6) storia di crisi epilettiche; e 7) pacemaker. Per i partecipanti con pacemaker distanza minima di sicurezza di 10 cm deve essere mantenuto tra il sito di stimolazione e il pacemaker per evitare interferenze con il funzionamento.
I soggetti non devono essere stimolate se una delle controindicazioni assolute si applicano. Per motivi di sicurezza il dispositivo NEBS dovrebbe avere la massima uscita in mA, dovrebbe essere a batteria e non deve essere utilizzato mentre il caricabatterie è collegato alla presa elettrica. Quando viene applicato per protocollo, tDCS e Trns sono generalmente ben tolerated 32. Gli effetti collaterali della stimolazione possono includere prurito, sensazione di formicolio, e mal di testa superando la durata di stimolazione o innescare attacchi di emicrania. Tuttavia, da circa 16.000 sessioni tDCS (tra cui sessioni multiple sequenziali) non gravi tDCS sono stati segnalati effetti collaterali (Bikson M., comunicazione personale, 2015; meta-analisi in preparazione). Gli effetti collaterali possono essere minimizzati da un'attenta preparazione degli elettrodi di stimolazione e il posizionamento. Questo include: ispezione 1. della pelle per lesioni, 2. Applicando la stimolazione tramite un mezzo conduttore come elettrodi in gomma ricoperte di pasta conduttiva o con soluzione salina imbevuti spugne, 3. Dissolvenza dentro e fuori la stimolazione (una più lunga durata di dilagare e rampa di decelerazione (ad es., 15 sec) è associato con meno effetti collaterali), e 4. controllo impedenza. I partecipanti di solito abituano alle sensazioni pelle sotto gli elettrodi poco dopo dilagare la stimolazione. Con Trns nella maggior parte dei casi, le sensazioni della pelle sono meno o per niente tutto percepito rispetto al tDCS (conseguentemente, tassi simili di corretta condizione di indovinare per sham e Trns rispetto ai più alti tassi di corretta condizione di indovinare con tDCS) 6. Questo può essere vantaggioso per gli studi dove accecamento ottimale dei partecipanti è fondamentale. Tuttavia, nella maggior parte degli studi partecipanti sono stati accecati con successo tra il tDCS reali e fittizi, almeno con una bassa intensità di medie stimolazione 32,42. Ciò è probabilmente dovuto alla realizzazione di una breve rampa su e giù per alcuni secondi in modalità simulata, che provoca la sensazione di formicolio 42 ma a quanto pare non altera la funzione corticale 2. Utilizzando una modalità sham "attiva" che provoca la sensazione di formicolio e spegne stimolazione dopo alcuni secondi automaticamente può essere un metodo superiore per accecare sia partecipante e ricercatore rispetto semplicemente posizionare gli elettrodi sulla testa del partecipante e non avviare il dispositivo NEBS .
t "> Per la comparabilità delle pubblicazioni indica la densità di corrente, dimensioni elettrodo (es., area di destinazione), il posizionamento degli elettrodi, substrato conduttivo tra l'elettrodo e la pelle, la durata per la rampa su e giù, la durata stimolazione ed effetti collaterali. Va notato che la dichiarazione di intensità di stimolazione da sola non è sufficiente per valutare la densità di corrente erogata al partecipante. per il calcolo della densità di corrente dividere l'intensità di stimolazione (ad es., 1 mA, 1,5 mA, 2 mA) dalla zona stimolata. ad esempio, se l'intensità di stimolazione è 1mA e le dimensioni degli elettrodi è di 16 cm 2 la densità di corrente stimata è 0,0625 mA / cm 2 (es., 1 mA / 16 cm 2 o 62.5 ìA / cm 2).Da un punto di vista concettuale, diverse aree corticali del sistema motorio sono accessibili da NEBS, direttamente se la zona è vicina alla superficie corticale o tramite effetti di rete remoti 43,44 26. Utilizzando quest'ultima tecnica in un partecipante sano è più veloce e più semplice rispetto all'utilizzo deputati TMS-indotta, ma TMS fornisce una precisione superiore a localizzare la rappresentazione singolo motore corticale di interesse. Mentre la necessità o beneficio funzionale di utilizzare un hotspot TMS rispetto al sistema 10/20 è ancora provata, deputati TMS-indotta dimostrano integrità funzionale M1 e il tratto piramidale. Per i pazienti con lesione cerebrale (per esempio, ictus) deputati TMS-indotta è quindi preferenzialmente utilizzati per individuare la rappresentazione corticale del motore in quanto potrebbe essere in gran parte spostata a causa delle dimensioni della lesione e la posizione, e le aree motorie secondarie può generare la potenza del motore.
NEBS dimensioni elettrodo o montaggio possono incidere sulle aree corticali adiacenti alla regione di interesse, con conseguente limitata focalità della stimolazione sé
La maggior parte degli effetti comportamentali robusti si trovano di solito quando la stimolazione e il compito di esecuzione o di formazione vengono effettuate simultaneamente 13. I risultati non coerenti sono stati riportati per NEBS e compiti applicata consecutivamente 1. Altri montaggi elettrodi come la tDCS ad alta definizione sviluppati di recente possono aumentare la stimolazione focalità 48,49 ma richiedono futuro indagine per quanto riguarda le conseguenze comportamentali. studi controllati che valutino gli effetti Trns su ictus riabilitazione motoria e l'apprendimento, così come studi comparativi delle strategie NEBS distinti in popolazioni di pazienti sono in gran parte mancante. Studi futuri con NEBS del sistema motorio umano sono necessarie per una migliore comprensione delle promesse e le insidie di NEBS in applicazioni cliniche.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
MC e JR sono supportati dalla German 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 |
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