JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Behavior

Ikke-invasiv elektrisk Brain Stimulation montager for Modulation of Human Motor Function

Published: February 04, 2016
doi:
10.3791/53367
, ,
1Department of Neurology,Albert Ludwigs University Freiburg

Summary

Ikke-invasiv elektrisk brain stimulation kan modulere kortikal funktion og adfærd, både til forskning og kliniske formål. Denne protokol beskriver forskellige brain stimulation tilgange til modulering af den humane motoriske system.

Abstract

Non-invasiv elektrisk brain stimulation (NEBS) anvendes til at modulere hjernefunktion og adfærd, både til forskning og kliniske formål. Især kan NEBS anvendes transcranially enten som jævnstrøm stimulation (TDCs) eller vekselstrøm stimulation (TAC). Disse stimulering typer øve tids-, dosis- og i tilfælde af TDCs polaritet-specifikke effekter på motorik og dygtighed læring i raske forsøgspersoner. Senest har TDCs blevet brugt til at forøge behandling af motoriske handicap hos patienter med slagtilfælde eller bevægelsesforstyrrelser. Denne artikel giver en trin-for-trin-protokollen for at målrette den primære motor cortex med TDCs og transkraniel tilfældig støj stimulation (tRNS), en særlig form af TAC bruger en elektrisk strøm anvendes tilfældigt inden for en forud defineret frekvensområde. Opsætningen af ​​to forskellige stimulation montager forklares. I begge montager den emitterende elektrode (anoden for TDCs) placeres på den primære motor cortex af interesse. Forensidig motor cortex stimulation den modtagende elektrode anbringes på den kontralaterale pande mens det for bilateral motor cortex stimulation den modtagende elektrode placeres på den modsatte primære motor cortex. De fordele og ulemper ved hver montage for graduering af kortikal ophidselse og motorisk funktion, herunder indlæring diskuteres, samt sikkerhed, tolerabilitet og blændende aspekter.

Introduction

Ikke-invasiv elektrisk brain stimulation (NEBS), administration af elektriske strømme til hjernen gennem den intakte kraniet, kan ændre hjernens funktion og adfærd 1 – 3 ud. For at optimere den terapeutiske potentiale håndhævelsesorganer strategier forstå de underliggende mekanismer, der fører til neurofysiologiske og adfærdsmæssige virkninger er stadig behov. Standardisering af ansøgning på tværs af forskellige laboratorier og fuld gennemsigtighed i stimulation procedurer danner grundlag for sammenlignelighed af data, som understøtter pålidelig fortolkning af resultater og evaluering af de foreslåede virkningsmekanismer. Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) eller transkraniel vekselstrøm stimulation (TAC'er) afvige parametrene for anvendte elektriske strøm: TDCs består af en ensrettet konstant strøm mellem to elektroder (anode og katode) 2 – 6, mens TAC bruger en vekselstrøm påført ved enspecifik frekvens 7. Transkraniel tilfældig støj stimulation (tRNS) er en særlig form for TAC, der bruger en vekselstrøm påføres tilfældige frekvenser (f.eks., 100-640 Hz), hvilket resulterer i hurtigt varierende stimulation intensiteter og fjerne polaritet-relaterede effekter 4,6,7. Polaritet er kun aktuelt, hvis indstillingen stimulation omfatter en stimulering offset, f.eks støjspektrum tilfældigt skiftende omkring en +1 mA baseline intensitet (normalt ikke anvendes). Ved anvendelse af denne artikel, vil vi fokusere på arbejde ved hjælp af TDCs og tRNS virkninger på det motoriske system, der nøje følger en nylig publikation fra vores laboratorium 6.

De underliggende virkningsmekanismer af tRNS er endnu mindre forstået end af TDCs men sandsynligvis forskellig fra sidstnævnte. Teoretisk i begrebsramme stokastisk resonans tRNS introducerer stimulation-induceret støj til en neuronal system, som kan give en signalbehandling fordel ved at ændre the signal-støj-forhold 4,8,9. TRNS kan overvejende forstærke svagere signaler og kunne dermed optimere opgave-specifik hjerneaktivitet (endogene støj 9). Anodiske TDCs øger kortikal ophidselse indikeret ved ændring af den spontane neuronal fyring på 10 eller øget motor evoked potentiale (MEP) amplituder 2 med virkningerne outlasting stimulering varighed minutter til timer. Langvarige stigninger i synaptisk effektivitet kendt som langtidspotensering menes at bidrage til indlæring og hukommelse. Faktisk er anodisk TDCs øger synaptisk effektivitet af motor kortikale synapser gentagne gange aktiveres af en svag synaptisk input 11. I overensstemmelse, er erhvervelse forbedret motorik / færdighed ofte afsløret, hvis stimulation er co-påført med motor træning 11 – 13, også antyder synaptisk co-aktivering som en forudsætning for denne aktivitet-afhængig proces. Ikke desto mindre er kausalitet mellem stigninger i cortical ophidselse (stigning i fyring sats eller MEP amplitude) på den ene side og forbedret synaptisk effektivitet (LTP eller adfærdsmæssige funktion såsom motorisk læring) på den anden side er ikke påvist.

NEBS anvendt til den primære motor cortex (M1) har tiltrukket stigende interesse som sikker og effektiv metode til at modulere human motorisk funktion 1. Neurofysiologiske effekter og adfærdsmæssige udfald kan afhænge af stimulering strategi (f.eks TDCs polaritet eller tRNS), elektrode størrelse og montage 4 – 6,14,15. Bortset fra faglige iboende anatomiske og fysiologiske faktorer elektroden montage påvirker væsentligt elektrisk felt distribution og kan resultere i forskellige mønstre af nuværende spredning inden cortex 16-18. Ud over intensiteten af den tilførte strøm størrelsen af elektroderne bestemmer strømtæthed leveret 3. Fælles elektrode montageri human motor systemstudier indbefatter (figur 1): 1) anodisk TDCs som ensidig M1 stimulering med anoden placeret på M1 af interesse og katoden er anbragt på den kontralaterale panden; den grundlæggende idé med denne tilgang er opregulering af ophidselse i M1 renter 6,13,19 – 22; 2) anodisk TDCs som bilateral M1 stimulering (også omtalt som "bihemispheric" eller "dobbelt" stimulering) med anoden placeret på M1 af interesse og katoden er anbragt på den modstående M1 5,6,14,23,24; den grundlæggende idé med denne tilgang er at maksimere stimulation fordele ved opregulering af ophidselse i M1 af interesse, mens nedregulere uro i den modsatte M1 (dvs. modulation af interhemispheric hæmning mellem de to M1s); 3) For tRNS har kun ovennævnte ensidige M1 stimulation montage været Investigated 4,6; med denne montage ophidselse styrke effekter af tRNS er fundet for frekvensspektret af 100-640 Hz 4. Valget af brain stimulation strategi og elektrode montage repræsenterer et afgørende skridt for en effektiv og pålidelig anvendelse af NEBS i kliniske eller forskningsmiljøer. Her disse tre neb procedurer er beskrevet i detaljer, som anvendes i humane motor systemet undersøgelser og metodiske og konceptuelle aspekter diskuteres. Materialer til unilateral eller bilateral TDCs og ensidige tRNS er de samme (figur 2).

Figur 1
Figur 1. Elektrode montager og strømretning for forskellige håndhævelsesorganer strategier. (A) For ensidig anodisk transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs), er anoden centreret over den primære motor cortex af interesse og katoden placeret over than kontralaterale supra-orbital område. (B) For bilateral motor cortex stimulation, anode og katode er placeret hver over en motor cortex. Placeringen af ​​anoden bestemmer motor cortex af interesse for anodiske TDCs. (C) For ensidig transkraniel tilfældig støj stimulation (tRNS) er en elektrode placeret over motoren cortex og den anden elektrode i den kontralaterale supra-orbital område. Den strøm mellem elektroderne er angivet med den sorte pil. Anode (+, rød), katode (-, blå), Vekselstrøm (+/-, grøn). Klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Etik erklæring: Humane studier kræver skriftligt informeret samtykke fra deltagerne før studiet. Opnå godkendelse fra den relevante etiske komité før rekruttering af deltagere. Sørg undersøgelser er i overensstemmelse med Helsinki-deklarationen. De repræsentative resultater rapporteret her (figur 4) er baseret på en undersøgelse udført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen ændret ved 59 th WMA Generalforsamling, Seoul, oktober 2008 og godkendt af den lokale etiske komité for …

Representative Results

For at undersøge effekten af ​​NEBS på den menneskelige motoriske system er det vigtigt at overveje passende resultatmål. En fordel ved motoriske system er tilgængeligheden af ​​de kortikale bemærkning fra elektrofysiologiske værktøjer. Motor fremkaldte potentialer anvendes hyppigt som indikator for motor kortikal ophidselse. Efter påføring af 9 eller flere minutter af anodiske TDCs ved en strømtæthed på 29 uA / cm 2, er motorens kortikal ophidselse øges i…

Discussion

Denne protokol beskriver typiske materialer og proceduremæssige skridt for modulation af hånd motorisk funktion og dygtighed læring ved hjælp NEBS, specifikt unilaterale og bilaterale M1 stimulation for anodisk TDCs, og ensidige tRNS. Før du vælger en bestemt NEBS protokol for et menneske motorsystem undersøgelse, f.eks., I forbindelse med motorisk læring, metodiske aspekter (sikkerhed, tolerabilitet, blinding) samt konceptuelle aspekter (montage eller strømtype specifikke virkninger på en bestemt omr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MC og JR er støttet af den tyske Research Foundation (DFG RE 2740 / 3-1).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr Opin Neurol. 24 (6), 590-596 (2011).
  2. 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).
  3. Nitsche, M. A., Cohen, L. G., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1 (3), 206-223 (2008).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Antal, A., Paulus, W., Hunter, M. A. Transcranial alternating current stimulation ( tACS ). Front Hum Neurosci. 7, 1-4 (2013).
  8. Collins, J. J., Chow, C. C., Imhoff, T. T. Stochastic resonance without tuning. Nature. 376 (6537), 236-238 (1995).
  9. Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1702-1712 (2013).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Galea, J. M., Celnik, P. Brain polarization enhances the formation and retention of motor memories. J Neurophysiol. 102 (1), 294-301 (2009).
  13. 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).
  14. Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front Hum Neurosci. 7 (8), 435 (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bikson, M., Rahman, a., Datta, a. Computational Models of Transcranial Direct Current Stimulation. Clin EEG Neurosci. 43 (3), 176-183 (2012).
  18. Opitz, A., Paulus, W., Will, A., Thielscher, A. Determinants of the electric field during transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 109, 140-150 (2015).
  19. Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 112, 720 (2000).
  26. Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Sehm, B., Schäfer, A., et al. Dynamic modulation of intrinsic functional connectivity by transcranial direct current stimulation. J Neurophysiol. 108 (12), 3253-3263 (2012).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. Nissen, M. J., Bullemer, P. Attentional requirements of learning: Evidence from performance measures. Cogn Psychol. 19 (1), 1-32 (1987).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. Venkatakrishnan, A., Sandrini, M. Combining transcranial direct current stimulation and neuroimaging: novel insights in understanding neuroplasticity. J Neurophysiol. 107 (1), 1-4 (2012).
  45. 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).
  46. Bikson, M., Rahman, A. Origins of specificity during tDCS anatomical, activity-selective, and input-bias mechanisms. Front Hum Neurosci. 7, 1-5 (2013).
  47. 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).
  48. Caparelli-Daquer, E. M., Zimmermann, T. J., et al. A Pilot Study on Effects of 4×1 High-Definition tDCS on Motor Cortex Excitability. Proc Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc EMBS. , 735-738 (2012).
  49. 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).

Tags

Non-invasive Electrical Brain StimulationMotor FunctionNeuroplasticityMotor SystemPre-frontal CortexVisual CortexElectromyographyEMGMagnetic StimulatorTMS CoilMotor Evoked PotentialsMEP

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image