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Behavior

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns Montagen für die Modulation der Menschen Motor Function

doi: 10.3791/53367 Published: February 4, 2016

Summary

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns kann kortikalen Funktion und Verhalten, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke modulieren. Dieses Protokoll beschreibt verschiedene Hirnstimulation Ansätze zur Modulation der menschlichen motorischen Systems.

Abstract

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns (NEBS) wird verwendet, Gehirnfunktion und Verhalten zu modulieren, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke. Insbesondere kann NEBS transkraniell entweder als Gleichstromstimulation (tDCS) oder Wechselstrom-Stimulation (TAC) angewendet werden. Diese Stimulation Arten ausüben zeit-, dosis und im Falle der tDCS Polarität spezifische Effekte auf die motorischen Funktionen und Fähigkeiten bei gesunden Probanden zu lernen. In letzter Zeit hat tDCS verwendet, um die Therapie der motorischen Behinderungen bei Patienten mit Schlaganfall oder Bewegungsstörungen zu erhöhen. Dieser Artikel enthält eine Schritt-für-Schritt-Protokoll des primären motorischen Kortex mit tDCS und transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) für die Ausrichtung, eine spezifische Form der TAC einen elektrischen Strom statistisch innerhalb eines vordefinierten Frequenzbereich angewendet werden. Das Setup von zwei verschiedenen Stimulations Montagen erläutert. In beiden Montagen die emittierende Elektrode (Anode für tDCS) auf dem primären motorischen Kortex des Interesses gestellt. Füreinseitige motorischen Cortex Stimulation wird die Empfangselektrode auf der Gegen Stirn gelegt, während für die bilaterale Stimulation motorischen Kortex die Empfangselektrode auf der gegenüberliegenden primären motorischen Kortex platziert wird. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Montage für die Modulation der kortikalen Erregbarkeit und Motorik einschließlich Lernen diskutiert werden, sowie Sicherheit, Verträglichkeit und blendende Aspekte.

Introduction

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3 - Nicht-invasive Stimulation des Gehirns (NEBS) kann die Verabreichung von elektrischen Strömen in das Gehirn durch den intakten Schädel, Gehirnfunktion und des Verhaltens 1 ändern. das therapeutische Potenzial von NEBS Strategien Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die zu neurophysiologischen und Verhaltenseffekte zu optimieren wird noch benötigt. Die Standardisierung der Anwendung in verschiedenen Labors und vollständige Transparenz der Stimulation Verfahren bildet die Grundlage für die Vergleichbarkeit von Daten, die von Ergebnissen und der Evaluierung der vorgeschlagenen Wirkmechanismen zuverlässige Interpretation unterstützt. Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) oder die transkranielle Wechselstrom-Stimulation (TAC) unterscheiden sich durch die Parameter des angelegten elektrischen Strom: tDCS besteht aus einer unidirektionalen konstanter Stromfluss zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode) 2 - 6, während tACS verwendet einen Wechselstrom angewandt bei aspezifische Frequenz 7. Transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) ist eine spezielle Form der TAC, die einen Wechselstrom zufällig Frequenzen angewendet verwendet (z. B. 100 bis 640 Hz), die sich in schnell wechselnden Stimulationsintensität und Entfernen Polarität bedingten Effekte 4,6,7. Die Polarität ist nur von Bedeutung, wenn die Stimulation Einstellung eine Stimulation Offset umfasst beispielsweise Rauschspektrum zu ändern um zufällig einen 1 mA Ausgangswert Intensität (in der Regel nicht verwendet). Für die Zwecke dieses Artikels, werden wir auf die Arbeit konzentrieren tDCS und tRNS Auswirkungen auf den Motor-System, genau nach einer jüngsten Veröffentlichung von unserem Labor 6.

Die zugrunde liegenden Mechanismen der Wirkung von tRNS sind noch weniger verstanden als der tDCS aber wahrscheinlich verschieden ist. Theoretisch führt in der konzeptionellen Rahmen der stochastischen Resonanz tRNS Stimulation induzierte Lärm auf ein neuronales System, das durch Veränderung th eine Signalverarbeitungs Nutzen bieten kanne Signal-Rausch-Verhältnis 4,8,9. SENDER kann überwiegend schwächere Signale verstärken und damit aufgabenspezifische Aktivität des Gehirns (endogene Lärm 9) optimieren können. Anodal tDCS erhöht Erregbarkeit kortikaler durch Veränderung der spontanen neuronalen Feuerrate angegeben 10 oder erhöhte Motor evozierte Potentiale (MEP) Amplituden 2 mit den Auswirkungen der Stimulationsdauer für Minuten bis Stunden überdauern. Lang anhaltende Anstieg der synaptischen Wirksamkeit bekannt als Langzeit-Potenzierung gedacht werden, um Lernen und Gedächtnis beitragen. Tatsächlich verbessert die anodische tDCS synaptischen Wirksamkeit von Motor kortikalen Synapsen wiederholt durch eine schwache synaptischen Eingang aktiviert 11. Entsprechend wird verbessert Motorik / Erwerb von Fähigkeiten offenbart oft nur, wenn die Stimulation mit Krafttraining zusammen aufgebracht ist 11 bis 13, auch synaptischen Co-Aktivierung als Voraussetzung dieser leistungsabhängigen Prozess hindeutet. Dennoch Kausalität zwischen den Erhöhungen in cortical Erregbarkeit (Erhöhung der Feuerrate oder MEP Amplitude) einerseits und verbesserte synaptische Wirksamkeit (LTP oder Verhaltensfunktionen wie das motorische Lernen) auf der anderen Seite, nicht nachgewiesen wurde.

NEBS angewandt auf die primären motorischen Kortex (M1) hat zunehmendes Interesse als sichere und effektive Methode angezogen 1 menschlichen Motorik zu modulieren. Neurophysiologische Effekte und Verhaltens Ergebnis kann auf der Stimulationsstrategie abhängen (zB tDCS Polarität oder tRNS), Elektrodengröße und Montage 4 - 6,14,15. Neben fachimmanente anatomischen und physiologischen Faktoren die Elektrode Montage wesentlich beeinflusst elektrische Feldverteilung und kann Auswirkungen auf die Muster der Strom innerhalb des Kortex Verbreitung 16-18. Zusätzlich zu der Intensität des angelegten Stroms der Größe der Elektroden bestimmt die Stromdichte 3 geliefert. Die gemeinsame Elektrode Montagenin der menschlichen motorischen Systems Studien umfassen (Abbildung 1): 1) die anodische tDCS als einseitige M1 Stimulation mit der Anode auf der M1 von Interesse und der Kathode auf der Gegen Stirn positioniert ist; Die Grundidee dieses Ansatzes ist die Hochregulation der Erregbarkeit in der M1 von Interesse 6,13,19 - 22; 2) anodische tDCS bilaterale M1 Stimulation (auch bezeichnet als "bihemispheric" oder "Dual" Stimulation) mit der Anode auf der M1 von Interesse und der Kathode auf der kontralateralen M1 5,6,14,23,24 positioniert ist; Die Grundidee dieses Ansatzes ist Vorteile Stimulation durch Hochregulation der Erregbarkeit in dem M1 von Interesse zu maximieren, während Erregbarkeit in die entgegengesetzte M1 Herunterregulieren (dh Modulation der interhemisphärischen Hemmung zwischen den beiden M1s); 3) Für tRNS, nur die oben erwähnte einseitige Montage M1 Stimulation wurde Beobachtungsated 4,6; mit diese Montage Erregbarkeit Wirkungen von tRNS wurden für das Frequenzspektrum von 100 bis 640 Hz 4 Verbesserung gefunden. Die Wahl der Hirnstimulation Strategie und Elektrode Montage stellt einen entscheidenden Schritt für eine effiziente und zuverlässige Nutzung der NEBS in der klinischen oder Forschungs Einstellungen. Hier diese drei NEBS Verfahren werden im Detail beschrieben, wie in menschlichen Motorsystem Studien verwendet und methodischen und konzeptionellen Aspekte werden diskutiert. Materialien für die ein- oder beidseitige tDCS und einseitige tRNS gleich sind (Abbildung 2).

Abbildung 1
Abbildung 1. Elektrodenmontagen und Stromrichtung für verschiedene NEBS-Strategien. (A) für die einseitige anodische transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) wird die Anode über dem primären motorischen Kortex des Interesses und der Kathode über t positioniert zentrierter kontralateralen Supraorbitalbereich. (B) Für bilaterale motorischen Cortex Stimulation, Anode und Kathode sind jeweils über einen motorischen Kortex befindet. Die Position der Anode bestimmt den motorischen Kortex von Interesse für die anodische tDCS. (C) Für einseitige transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) ist eine Elektrode über dem motorischen Kortex und die andere Elektrode über der Gegenoberaugenhöhlenbereich. Der Stromfluss zwischen den Elektroden wird durch den schwarzen Pfeil angedeutet. Anode (+, rot), Kathode (-, blau), Wechselstrom (+/-, grün). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Protocol

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Ethik-Anweisung: Studien am Menschen benötigen eine schriftliche Einverständniserklärung der Teilnehmer vor Studienbeginn. Holen Sie die Genehmigung von der zuständigen Ethikkommission vor Rekrutierung der Teilnehmer. Stellen Sie sicher, Studien sind in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki. Die repräsentativen Ergebnisse hier berichtet (Abbildung 4) basieren auf einer Studie, die in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki vom 59. Generalversammlung des Weltärzte, Seoul, Oktober 2008 und genehmigt durch die lokale Ethikkommission der Universität Freiburg geändert durchgeführt. Alle Probanden gaben schriftliche Einverständniserklärung vor Studienbeginn 6.

1. Sicherheit Screening

  1. Bildschirm, um die Teilnehmer auf mögliche Kontraindikationen für die nichtinvasive Hirnstimulation 3, z. B. um 25 Fragebögen.

2. Motor Cortex Lokalisierung

  1. Suchen Sie die Hand motorischen Kortex des Teilnehmers durch eine von zwei distinct Ansätze, um das Gehirn Darstellung der Muskel von Interesse durch transkranielle Magnetstimulation Ortung (TMS) induzierten MEP, oder indem Sie die Standard-M1 Positionsbestimmungs (C3 / C4) auf der Basis des EEG 10/20 internationalen Systems mit einem Maßband 26 .
  2. Für TMS-induzierten MEP Aufnahme bitten die Teilnehmer, jedes Objekt zu entfernen, die von TMS Magnetfeld beeinflusst werden, einschließlich Kreditkarten, Mobiltelefone und Metallgegenstände im Allgemeinen.
  3. Fragen Sie die Teilnehmer bequem zu sitzen.
  4. Stellen Sie sicher, Verbindungen zwischen EMG-Verstärker und dem Computer verwendet für Signalkonfiguration und Übernahme, wenn eine Software-Schnittstelle.
  5. Schalten Sie die EMG-Verstärker und verbinden EMG Elektrodenkabel.
  6. Saubere Teilnehmer der Haut durch sanft in den Regionen der Hand mit der Haut Vorbereitungspaste Reiben, wo die Elektroden platziert werden. Entfernen Sie überschüssiges mit sauberen Gaze-Pad.
  7. Bringen EMG Oberflächenelektroden in einem Bauch-Sehnen-Montage auf der Hand MuskelInteresse (z. B. M. abductor pollicis brevis der rechten Hand) und eine Masseelektrode verbinden (z. B. auf Unterarm). Der Zweck der Studie bestimmt, welche Hand Muskel zu verwenden.
    Anmerkung: Für wiederverwendbare Elektroden ist es notwendig, eine kleine Menge einer leitfähigen Paste auf der Elektrodenoberfläche aufzubringen, bevor es der Teilnehmer der Haut zu befestigen.
  8. (Optionaler Schritt) Starten Sie die Aufnahme-Software für MEP Erwerb wenn MEP Datenspeicherung gewünscht wird.
  9. Schauen Sie sich die EMG Impedanzwerte. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz <20 kOhm.
  10. Schalten Sie den magnetischen Stimulator und laden Sie den Kondensator, der durch die entsprechende "Ladung" Taste drücken.
  11. Legen Sie eine Figur einer Acht TMS Spule auf der Teilnehmerkopfhaut auf der Interhemisphärenspalt und an den motorischen Kortex Bereich bewegen (um die Positionen C3 / C4 des EEG 10/20 internationalen Systems). Halten Sie die TMS-Spule in einem 45 o -50 o Winkel zum Inter fissu verwiesenWieder 27,28, mit dem Griff nach hinten ausgerichtet ist, eine kortikale Stromfluss vom hinteren Herstellung 29 nach anterior.
    Hinweis: Zwei verschiedene TMS-Spulen für die Lokalisierung motorischen Kortex verwendet: Abbildung einer Acht oder kreisförmigen Spulen. Wenn möglich, verwenden Sie eine Figur einer Acht Spule, da es mehr Brenn Hirnstimulation 30 und eine größere Zuverlässigkeit der Messungen der kortikalen Erregbarkeit 31 zur Verfügung stellt.
  12. Wenn die magnetische Stimulator (sichtbar auf dem Display) geladen ist, entladen den Stimulator entweder durch den Auslöseknopf drücken oder auf den Fußschalter treten oder automatisch durch ein Software-Programm. Dies wird anschließend eine einzelne TMS Impuls durch die verbunden TMS Spule über der Teilnehmer Kopfhaut liefern. Standard TMS Pulseinstellungen (. Beispielsweise 100 & mgr; s Anstiegszeit des induzierten Stroms und 800 & mgr; s Abklingzeit für monophasische Impulse; kürzere Zerfallszeiten für zweiphasige Impulse) sind spezifisch für das Gerät (Firmware).
  13. Beginnen Sie mit einer geringen Stimulationsintensität (zB., Stellen Sie die Intensität auf 45% Leistung mit der Stimulationsintensität Drehregler auf dem Stimulator) und achten Sie auf die Abgeordneten sichtbar auf der EMG-Verstärker.
    1. Wenn keine MEP ist sichtbar Erhöhung Intensität der Stimulation in 2-5% Schritte, bis ein MEP deutlich vorhanden ist (z. B. 0,5 bis 1 mV Amplitude). Wiederholen Sie die Stimulation durch den Auslöseknopf drücken oder den Fußschalter aktivieren, wenn Impulsabgabe nicht automatisiert ist. Informieren Sie den Teilnehmer, der Stimulation etwas stärker, und dass Bewegungen der Gliedmaßen werden, Gesichts Zucken und ins Auge blinkt erwartet.
      Hinweis: Legen Sie einen Mindestabstand von 5 Sekunden zwischen den Impulsen niederfrequente Stimulation Auswirkungen auf die Erregbarkeit des Gehirns zu vermeiden.
  14. Bewegen Sie die Spule radial in 1 cm-Schritten um die ursprünglich angeregt Website die Stelle mit dem größten MEP Antwort nach der Anwendung der einzelnen TMS Impulse zu finden. Von dort aus starten wieder die Spule bewegen zu sichernder "Hotspot" (kortikalen Bereich mit maximaler MEP Amplitude).
    Hinweis: Die Verwendung eines Kopfkappe (. ZB verwendet für die Netz Markierungen) für die Lokalisierung Verfahren wird nicht empfohlen, da die Kappe für NEBS Elektrodenplatzierung entfernt werden muss und die Hotspot-Position verloren gehen können.
  15. Reduzieren Sie die Stimulationsintensität bei ca. 2% -Schritten die Stimulationsintensität Controller Knopf auf dem Stimulator (MEP müssen noch vorhanden sein). Dadurch wird vermieden, Ungenauigkeit aufgrund supra Stimulation. Bestätigen Sie den Hotspot durch die Spule radial in 1 cm-Schritten um den Hotspot zu bewegen und für MEP Größe überprüfen. Der Hotspot sollte entsprechen immer noch zu den größten und beständigsten MEP Amplitude.
    Hinweis: Fragen Sie die Teilnehmer, sich freiwillig den Muskel von Interesse zusammenziehen, wenn der Hotspot schwer zu finden ist (. ZB keine MEP in hohen Stimulationsintensität). Auf diese Weise benötigt die Stimulationsintensität MEP zu entlocken wird verringertund es kann leichter zu relevanten kortikalen Stimulationsstellen zu identifizieren. Wenn dieses Verfahren verwendet wird, fragen Sie die Teilnehmer die Muskeln zu entspannen, nachdem eine entsprechende Stimulationsstelle zu finden und Stimulationsintensität anpassen, so dass zuverlässige MEPs gefunden werden kann, wenn der Muskel in Ruhe ist. Gehen Sie den Hotspot zu finden.
  16. Markieren Sie die Hotspot-Position und Spule Ausrichtung mit nicht-ständigen Hautmarkierung.
  17. Für bilaterale M1 Stimulation, wiederholen Sie die Schritte von 2,11 bis 2,16 für die kontralaterale Extremität.

3. NEBS Vorbereitung der Elektrode

  1. Anschließen der Kabel an Gummielektroden, und legen Sie die Elektroden in den Schwamm Taschen. Stellen Sie sicher, Elektrodengröße und Schwamm Beutelgröße passen. Die Materialien sind in den Standardgrößen im Handel erhältlich (z. B. 5x5 cm 2, 5x7 cm 2).
  2. Soak Schwamm Taschen auf beiden Seiten mit isotonischer Kochsalzlösung, aber übermäßiger Komfort vermeiden Salzbrücken zu verhindern oder auf die Freiwilligen tropft.
    1. Dieser Schritt ist optional: Um ein Auslaufen von NaCl-Lösung verhindern, wenn Bandagen anstelle von Gummibändern, legen Sie die Elektroden und Schwammtaschen innen nicht-leitfähigen Gummischwamm Abdeckungen verwendet.
      Hinweis: Alternativ können Sie den Plattenelektrode mit einer leitfähigen Paste decken und legen Sie sie direkt auf den Kopf des Teilnehmers, das heißt, nicht mit Schwamm Taschen oder Schaumgummiabdeckungen.

4. NEBS Elektrodenplatzierung (Abbildung 1)

  1. Finden Sie den Kopf Markierung (en), die den Motor kortikalen Hotspot und trennen Sie die Haare in der Umgebung.
  2. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Haut reinigen, bevor Platzierung der Elektroden durch die Haut sanft Bereich um die Kopfzeichnung mit einem Tupfer reiben getränkt mit 40-50% Alkohol oder Hautvorbereitungspaste. Die Haut nicht kratzen! Entfernen Sie überschüssiges mit einem Tupfer und sauberen Bereich wieder mit isotonischer Kochsalzlösung. Trocknen Sie die Fläche danach.
    Hinweis: Stellen Sie sicher, dass Sie den Kopf Markierung (en) sichtbar bleiben; bemerken, wenn nötig. Legen Sie eine Elektrode nach dem Kopf-Kennzeichnung für die M1 von Interesse (kontralateral zur Hand von Interesse). Bringen des Schwamms so weit wie möglich in direktem Kontakt mit der Haut. Legen Sie das Elektrodenkabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers Störung während der Stimulation zu vermeiden und / oder Aufgabenausführung und erleichtern den Anschluss an die NEBS-Gerät.
    Hinweis: Die Haare unter der Elektrode sollte feucht werden. Bei übermäßiger Haar Befeuchtung, verwenden Sie Papier oder Handtücher den Überschuss zu absorbieren.
    Anmerkung: Für anodische tDCS, der Elektrode auf der Motor kortikalen Hotspot von Interesse platziert (Erhöhung der Erregbarkeit gewünscht ist) entspricht der Anode, in der Regel an die rote Leitung angeschlossen. Die Kathode (in der Regel zu einem schwarzen oder blauen Kabel verbunden) ist auf der gegenüberliegenden Überaugenbereich oder M1 platziert (siehe unten). Herkömmlicherweise ist Platzierung der Elektroden das gleiche für tRNS, obwohl in dem klassischen Protokoll es aufgrund der Wechsel curren keine Polarität Spezifitätt-Flow. Bestimmte Platzierung kann wichtig sein, wenn die Stimulationseinstellungen eine Stimulation versetzt sind.
  3. Für einseitige Ort M1 Stimulation die zweite Elektrode (zum anodischen tDCS: die Kathode) über die Gegenoberaugenhöhlenbereich (entsprechend Fp2 im EEG 10/20 internationalen Systems zur Elektrode). Sicherstellen, dass das Kabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers gerichtet ist.
  4. Für bilaterale M1 Stimulation überspringen Schritt 4.4. Legen Sie die zweite Elektrode (zum anodischen tDCS: die Kathode) auf der gegenüberliegenden M1 nach dem Markierungskopf ipsilateral zur Glied in der Studie verwendet. Sicherstellen, dass das Kabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers gerichtet ist.
  5. Bedecken Sie den Kopf zweimal mit einer elastischen Binde kreisförmig in der medio-lateraler Richtung die M1 Elektrode zu stabilisieren, dann mit dem restlichen Verband um den Kopf kreisförmig in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung zu decken beide Elektroden zu stabilisieren.
  6. Ein Klebestreifen das Ende der Bandag zu behebene.
  7. Sichern Sie die Kabel mit einem Klebeband am Hals des Teilnehmers oder Shirt.
  8. Verbinden Elektrodenkabel an die NEBS-Gerät.

Figur 2
Abbildung 2. Die verwendeten Materialien für NEBS-Protokolle. Herkömmliche Materialien, die in nicht-invasive Stimulation des Gehirns Protokolle gehören NEBS Gerät, Elektrodenkabel, leitfähigen Gummielektroden, perforierten Schwamm Taschen, Schaumgummiabdeckung (optional), isotonische Kochsalzlösung und Bandagen. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

5. Stimulation

  1. Schalten Sie den NEBS-Gerät.
  2. Passen NEBS Geräteeinstellungen bezüglich Stimulation Art (tDCS oder tRNS), Intensität (z. B. 1 mA, 1,5 mA oder 2 mA), Dauer (z. B. 10 bis 40 min), an- und abgeschaltet werden (Zeit zwischen Beginn der Stimulation und maximale Intensität, in der Regel 8-15 sec), und weitere Faktoren, die auf die Stimulation Art (zB Frequenzspektrum für tRNS).
    Hinweis: Herkömmlicherweise Scheinstimulation umfasst durch Herunterfahren unmittelbar gefolgt Hochfahren. Dementsprechend hat der Teilnehmer die Sensation des Stimulations aber die Dauer der Stimulation ist nicht ausreichend anhaltende Wirkung auf die Gehirnfunktion auszuüben. Einige NEBS-Geräte umfassen eine Studie Modus, der Blendung des Teilnehmers und Ermittler können durch eine Studie bestimmten Thema Code eingeben. Der Code bestimmt Stimulation Einstellungen automatisch. Alternativ kann eine zweite Versuchsleiter die Stimulationseinstellungen in jeder Sitzung gesetzt und die Anzeige von der Experimentator decken die Stimulation durch.
  3. Informieren Sie die Teilnehmer über mögliche Nebenwirkungen mit NEBS verbunden. Häufige Nebenwirkungen sind Juckreiz / Kribbeln oder Brennen underneath den Elektroden, Kopfschmerzen und Unwohlsein 32. Brennen kann mit der Haut ein Zeichen von schlechter Elektrodenkontakt sein.
  4. Starten Sie die Stimulation.
    Hinweis: Häufig Stimulation Dauer ca. 10-20 min auf Berichte untersuchen Veränderungen auf die kortikale Erregbarkeit basierend dauert (siehe repräsentative Ergebnisse Abschnitt). Empirisch wurde die maximale Stimulationsdauer bis 40 min 3 gesetzt.
  5. Auf Durchgang der Stimulation während Hochlauf und Stimulation. Wenn Impedanz zu hoch ist oder die Elektroden sind in einem schlechten Kontakt mit der Haut, kann die Stimulation automatisch beendet.
    Anmerkung: Falls die Impedanz zu hoch ist oder die Teilnehmer Berichte Beschwerden während der Stimulations Erhöhung versuchen Impedanz zu verringern, zum Beispiel besser, die Elektroden an den Stimulationsstellen fixieren oder leitendes Medium hinzugefügt wird. NaCl-Lösung kann unter Verwendung einer Spritze direkt in die Schwämme nach ihrer Platzierung o angefügtn den Kopf.
    Hinweis: Aus Sicherheitsgründen einige Geräte, die Impedanz der gesamten Stimulations melden. Die NEBS Gerät abgeschaltet, wenn Impedanz einen bestimmten Schwellenwert erreicht (z. B. 55 kOhm).
  6. Wenn NEBS ist mit der Ausführung einer motorischen Aufgabe Co-Anwendung, starten Sie den Test / Training nach der Stimulation wird hochgefahren und die Teilnehmer wohl fühlen, mit Stimulation. Im Falle, dass die Studie nicht einen Motor Aufgabe während der Stimulation sind, stellen sicher, dass die Teilnehmer bleibt sitzen und wach während der Stimulationsdauer und warten, bis die Stimulation vorbei ist.
  7. Prüfen Sie mit dem Teilnehmer für Nebenwirkungen der Stimulation, z. B. durch einen standardisierten Fragebogen 32 verteilen oder direkt mit dem Teilnehmer zu fragen. Im Falle von Studien mehrere Tage der Stimulation einschließlich, beachten Sie bitte die möglichen Nebenwirkungen zwischen den Tagen.
    Hinweis: Für die Beurteilung der Wirksamkeit blendend, fragen Sie die Teilnehmer nach jeder Stimulation session zu erraten, welche Stimulation Art (Schein / Zustand) der Teilnehmer unterzogen. Wenn der Experimentator auch geblendet wird, könnte der Versuchsleiter auch seine Vermutung Hinweis zur Stimulierung Art des Teilnehmers. Vergleichen Antworten mit der eigentlichen Stimulation Typ 33 Rate von richtigen Treffer zu überprüfen.
  8. Desinfizieren Sie Elektroden und Schwämme mit ungefährlichen Substanzen wie 40-50% Alkohol. Spülen Sie in Wasser hinterher. Lassen Materialien trocknen, bevor zu speichern.

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Representative Results

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Um die Auswirkungen der NEBS auf den menschlichen motorischen Systems untersuchen ist es wichtig, geeignete Zielkriterien zu berücksichtigen. Ein Vorteil des motorischen Systems ist die Zugänglichkeit der kortikalen Repräsentationen von elektrophysiologischen Werkzeuge. Motor evozierte Potentiale häufig als Indikator für die Motor kortikalen Erregbarkeit verwendet werden. Nach dem Auftragen von 9 oder mehr Minuten der anodischen tDCS bei einer Stromdichte von 29 uA / cm 2 wird Motor kortikalen Erregbarkeit für mindestens 30 min in den meisten gesunden Probanden erhöht 19,21,22 (siehe auch Abbildung 3). Kathodische tDCS verursacht meist das Gegenteil (Erregbarkeit abnehmenden) oder keine Wirkung 19,22. Wie jedoch kürzlich 22 diskutiert, gibt es eine gewisse Variabilität in der Antwort Richtung, mit einigen Fächern die entgegengesetzte Wirkungsrichtung für anodische und kathodische tDCS zeigt. Dies sollte berücksichtigt für die Probengröße Berechnungen genommen werdenin Studien mit NEBS. Interessanterweise wurden ähnliche Schwankungen in M1 Erregbarkeit nach unilateraler und bilateraler tDCS gefunden 5,23 und einfache motorische Funktion wurde in ähnlicher Weise direkt nach jeder Stimulation Typ 5 verbessert. Deshalb ist es derzeit untersucht, ob weitere Herunterregulierung der Erregbarkeit des kontralateralen M1 die bilateralen M1 Montage spezifische Vorteile zu motorisches Verhalten ausübt (siehe unten). Im Gegensatz dazu bezeichnet Ruhezustand fMRI deutlich unterschiedliche kortikale Netzwerkänderungen: bilaterale tDCS funktionelle Konnektivität im Primär- und Sekundärmotor und präfrontalen Arealen moduliert, während einseitige tDCS in präfrontalen, parietalen und Kleinhirnbereiche 34 funktionelle Konnektivität moduliert.

tRNS hat erst vor kurzem als ein Werkzeug entwickelt, 4 kortikalen Erregbarkeit zu modulieren. Aufgrund des Wechselstrom tRNS ohne Polarität Spezifität aufgetragen (solange eswird keine der Stimulationsintensität Offset). Allerdings Effizienz der tRNS scheint von der angelegten Rauschspektrum abhängen, mit hohen Frequenzen (100 bis 640 Hz) robustere Auswirkungen als niedrige Frequenzen (<100 Hz). 4 zeigt Beim direkten Vergleich zu einseitigen anodischen tDCS, eine ähnliche, aber etwas länger anhaltende Zunahme von M1 Erregbarkeit (gemessen durch Veränderungen MEP Amplitude) wurde nach unilateraler tRNS (Abbildung 3).

Abbildung 3
Abbildung 3. Zeitlicher Verlauf der Motor kortikalen Erregbarkeit nach verschiedenen NEBS-Strategien. Die MEP Amplitude als Funktion der Zeit dargestellt vor und nach 10 Minuten der einseitigen anodische transkraniellen Gleichstimulation (tDCS) oder die transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS), die auf dem primären motorischen Kortex bei einer Stromdichte von 29 uA / cm 2 (1 mA / 35 cm 2). Die Fehlerbalken INDICATE Standardfehler. Beachten Sie, dass tRNS ähnliche Auswirkungen auf die Motor kortikalen Erregbarkeit übt gegen tDCS zu Anodal®. Nach ca. 50 min für anodischen tDCS und nach 90 min für tRNS MEP Amplitude kehrt auf das Ausgangsniveau. Von Terney et al. (2008) 4 mit Genehmigung. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Trotz der Heterogenität der Studiendesigns, ein gemeinsames Konzept geht von NEBS Studien die Prüfung der Auswirkungen der tDCS und tRNS auf die motorischen Funktionen zu entwickeln: NEBS Motorleistung oder Fähigkeiten beeinflusst, wenn sie gleichzeitig mit dem Training / Prüfung angewandt. Anodal tDCS und tRNS angewandt als einseitige M1 Stimulation oder anodische angewandt tDCS als bilaterale M1 Stimulation während des Trainings alle impliziten Motor Sequenz gezeigt, zur Verbesserung lernten 4,35 - 38 auf der seriellen Reactipünktlich Aufgabe 39. In ähnlicher Weise wurde bei der Motor Training angewandt einseitige anodische tDCS 40 gezeigt in einer expliziten Motor Lernparadigma Lerngeschwindigkeit zu erhöhen. Allerdings Auswirkungen der kathodische Stimulation auf implizite und explizite motorischen Lernens scheinen anders zu sein: Während die kathodische tDCS beim Training nicht wesentlich Sequenz Lernen während impliziten motorischen Lernens 35, wurde berichtet, negativ explizite Motor zu beeinflussen 40 Lernen nicht beeinflusste. Die Gründe für diese Diskrepanz müssen weitere Untersuchungen.

Während des Trainings deutlich verbessert visuomotorische Mann bisherigen Untersuchungen auf komplexere motorischen Fokussierung anodische tDCS als einseitige M1 Stimulation Lernen 13,20 aufgebracht mehrere Tage Lernen über. Fähigkeit wurde durch Änderungen der Bewegungsgenauigkeit in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit (dh die Geschwindigkeit, Genauigkeit-Kompromiss) bestimmt. Auffällig ist, im direkten Vergleich Elektrodenmontagen und Stimulationsarten, sowohl uni- und bilateralen M1 anodische tDCS und einseitige tRNS alle erweiterten Fähigkeiten auf einem visuomotorische Wort und Schreiben lernen Tracing Aufgabe 6 (4A). Hinsichtlich der Mechanismen, ist es derzeit nicht bekannt, ob tDCS und tRNS durch die gleichen Wirkmechanismen arbeiten. Der zeitliche Verlauf der Geschicklichkeit Gewinne innerhalb der Session jedoch klar zwischen tDCS und tRNS unterschieden: Einseitige tDCS ausgeübt große Auswirkungen auf Geschicklichkeit Gewinne unmittelbar nach Stimulation gestartet. Im Gegensatz dazu bilaterale tDCS und tRNS langsam Geschick Gewinne während der Sitzungen (4B) verbessert. Diese Divergenz deutet auf zeitlich spezifischen Wechselwirkungen zwischen der NEBS-Typ und dem Motor Lernprozess. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn Arten Anregung für zukünftige Untersuchungen der Motorik bei gesunden Probanden sowie Patienten mit neurologischen Störungen wählen.

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Abbildung 4. Verbesserung der Motorik durch Ausbildung und Erweiterung von verschiedenen NEBS-Strategien. (A) Änderungen in der Motorik während drei Tagen motorisches Training pro Stimulationsgruppe. Geschicklichkeit signifikant erhöht im Laufe der Zeit in der Schein-Stimulation Kontrollgruppe und ergänzt weiter von jedem NEBS-Strategie. (B) Streudiagramm von Teilkomponenten des motorischen Lernens. Alle Stimulation Gruppen präsentieren eine erheblich größere Gesamt motorischen Lernens im Vergleich zum Scheinstimulation Kontrollgruppe. Nur einseitige anodische transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) zeigt größere unmittelbare Auswirkungen auf das motorische Lernen -. Dh erste Veränderungen in Geschicklichkeit nach Beginn der Stimulation im Vergleich zu Scheinkontrolle und transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS). DC: M1-SO = einseitige tDCS. DC: M1-M1 = bilateralen tDCS. RN: M1-SO = einseitige tRNS. * P <0,05, ** p <0,01. Die Fehlerbalken = Standardfehler des Mittelwerts. Von Prichard et al. (2014) 6 mit Genehmigung. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

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Dieses Protokoll beschreibt typische Materialien und Verfahrensschritte zur Modulation der Hand Motorik und Geschicklichkeit Lernen NEBS verwenden, speziell uni- und bilaterale M1 Stimulation für die anodische tDCS und einseitige tRNS. Vor Beginn einer bestimmten NEBS-Protokoll für einen menschlichen motorischen Systems Studie der Wahl, z. B. im Rahmen des motorischen Lernens, methodische Aspekte (Sicherheit, Verträglichkeit, Verblindung) sowie konzeptionellen Aspekte (Montage oder Stromart spezifischen Auswirkungen auf eine bestimmte Gehirnregion) werden müssen berücksichtigt. Vorteile und Grenzen der drei Strategien sind in Tabelle 1 dargestellt.

NEBS-Typ Vorteil Einschränkung
Gemeinsam ist Anodal® tDCS und tRNS Safe
Billig
Einfach zu verwalten
Dauernde Wirkung auf cortical Erregbarkeit (bis 90 min)
Verbesserung der Motorik und motorischen Lernen bei gesunden Probanden und Patienten mit motorischen Defiziten
Funktionelle focality wird durch die Kombination von NEBS mit einer besonderen Aufgabe erreicht
Struktur Stimulation focality begrenzt und definiert durch Elektrodengröße und Montage
Größere Elektroden benachbarten Hirnrindenareale stimulieren kann der M1 von Interesse
Einseitige M1 Stimulation
(tDCS)
Polarity Spezifität (Richtung der Erregbarkeit Änderung der M1 von Interesse gewählt werden kann) Empfangen Elektrode (Kathode) ist eine aktive Elektrode und kann eine verwirrende Wirkung auf darunterliegende Bereich des Gehirns ausüben
Schwierig Teilnehmer blendend bei höheren Stimulationsintensität (Stromdichte> 40 uA / cm 2, z. B.> 1 mA / 25 cm 2)
Bilaterale M1 Stimulation
Polarity Spezifität (Richtung der Erregbarkeit Änderung der M1 von Interesse gewählt werden kann)
Ausgesprochen Modulation interhemisphärischen Verbindung zusätzlich zu Erregbarkeit Erhöhung der M1 von Interesse (gewünschte Wirkung auf die gegenüberliegende M1 bis niedrigsten)
Schwierig Teilnehmer blendend bei höheren Stimulationsintensität (Stromdichte> 40 uA / cm 2, z. B.> 1 mA / 25 cm 2)
Höheres Risiko von Stromnebenschluß wegen der Nähe der Elektroden
Einseitige M1 Stimulation
(tRNS)
Geringsten Nebenwirkungen
Verbesserte Teilnehmer blendend
Keine Polarität Spezifität
Auswirkungen auf die Erregbarkeit und Motorik sind robuster im Hochfrequenzspektrum (100 bis 640 Hz)

NEBS, nicht-invasive Stimulation des Gehirns; M1, primären motorischen Kortex; tDCS, transkranielle Gleichstrom sStimulation; tRNS, transkranielle Stimulation Zufallsrauschen

Tabelle 1: Vorteile und Grenzen der tDCS und tRNS.

Aus methodischer Sicht Themen sollten immer gründlich für Kontraindikationen für NEBS 3,41 Fragebögen oder standardisierte Interviews abgeschirmt werden (z. B. Kiel et al., 2001 25). Diese unterscheiden sich nicht zwischen tDCS und tRNS. Absolute NEBS Kontraindikationen sind: 1) Schädelverformung, beispielsweise aufgrund von Bruch, wie es Stromfluss beeinflussen kann und unerwartete Nebenwirkungen zu fördern;. 2) implantierten medizinischen Gerät, beispielsweise Cochlea-Implantat und Gehirnstimulator, als NEBS negativ medizinisches Gerät Funktion beeinflussen können. Für den Einsatz von TMS (z. B. für die Lokalisierung motorischen Kortex (Protokoll Schritt 2) sehen) ferromagnetische Gegenstände im Kopf / Hals-Bereich, (z. B. Schrapnell, chirurgische Klammern) auch eine absolute Kontraindikation, wie diejenigen, Objekt darstellens kann durch das magnetische Feld und stellen ein Risiko für den Teilnehmer verschoben werden. Weitere Ausschlusskriterien sind optional und hängen von den Studienziele. Gemeinsame zusätzlichen Kontraindikationen sind: 1) Alter über 85 Jahre alt; 2) Schwangerschaft; 3) Geschichte der chronischen Hauterkrankungen (vor allem in Bezug auf den Kopf); 4) nachteilige Auswirkungen zur vorherigen Gehirnstimulationsprotokolle; 5) Geschichte von häufigen oder starken Kopfschmerzen, zB Migräne. 6) Geschichte von epileptischen Anfällen; und 7) Herzschrittmacher. Für Teilnehmer mit Herzschrittmacher ein Mindestsicherheitsabstand von 10 cm sollte zwischen Stimulationsstelle und dem Herzschrittmacher zu verhindern Interferenzen mit ihrer Anwendung gehalten werden.

Die Patienten sollten nicht stimuliert werden, wenn eines der absoluten Kontraindikationen gelten. Aus Sicherheitsgründen sollte die NEBS Gerät maximale Leistung in mA-Bereich haben, sollten batteriegetrieben sein und sollte nicht verwendet werden, während das Ladegerät an Stromnetz angeschlossen ist. Wenn pro-Protokoll angewandt, tDCS und tRNS sind in der Regel gut tolerated 32. Nebenwirkungen der Stimulation kann Jucken, Kribbeln und Kopfschmerzen, die Stimulationsdauer dauernde oder Migräneattacken auslösen. Doch von geschätzten 16.000 tDCS Sitzungen (einschließlich mehrere aufeinander folgende Sitzungen) keine schweren tDCS Nebenwirkungen berichtet (Bikson M., persönliche Mitteilung, 2015; Meta-Analyse in Vorbereitung). Nebenwirkungen können durch eine sorgfältige Stimulationselektrode Vorbereitung und Platzierung minimiert werden. Dazu gehören: 1. Hautkontrolle für Läsionen, 2. die Stimulation über ein leitendes Medium wie Gummi-Elektroden mit leitfähiger Paste bedeckt Anwendung oder mit Kochsalzlösung getränkten Schwämmen, 3. Ein- und Ausblenden der Stimulation (eine längere Dauer des Hochfahren und Herunterfahren (z. B. 15 Sekunden) mit weniger Nebenwirkungen verbunden), und 4. Impedanzsteuerung. Die Teilnehmer gewöhnen Regel zu Hautempfindungen unter den Elektroden kurz nach der Stimulation Hochfahren. Mit tRNS in den meisten Fällen Hautempfindungen sind weniger oder gar nicht alle im Vergleich zu tDCS wahrgenommen (folglich ähnliche Raten der korrekten Zustand Schätzung für Schein und tRNS im Vergleich zu höheren Raten der korrekten Zustand Vermutung mit tDCS) 6. Dies kann vorteilhaft für Studien, in denen optimale Verblindung der Teilnehmer entscheidend ist. In der Mehrzahl der Studien Teilnehmer waren zwischen realen und Schein-tDCS, zumindest bei niedrigen bis mittleren Stimulationsintensität 32,42 jedoch erfolgreich geblendet. Dies ist wahrscheinlich auf die Umsetzung einer kurzen Rampen nach oben und unten für einige Sekunden in der Sham-Modus, der das Kribbeln 42 verursacht, aber offenbar nicht kortikalen Funktion 2 nicht verändert. eine "aktive" Schein-Modus verwenden, die das Kribbeln auslöst und schaltet sich automatisch Stimulation nach einigen Sekunden aus kann sowohl eine überlegene Methode für blendende Teilnehmer und Forscher verglichen, wie einfach die Elektroden auf dem Kopf des Teilnehmers platziert und nicht die NEBS Startvorrichtung .

t "> Für die Vergleichbarkeit von Publikationen, die Stromdichte zeigen, Elektrodengröße (dh., Zielgebiet), Platzierung der Elektroden, leitfähigen Substrat zwischen Elektrode und Haut, die Dauer für an- und abgeschaltet werden, Stimulationsdauer und Nebenwirkungen. Es sollte angemerkt werden, dass die Erklärung der Stimulationsintensität allein ist nicht ausreichend, um die Stromdichte an den Teilnehmer geliefert zu schätzen. Für die Berechnung der Stromdichte die Stimulationsintensität unterteilen (z. B. 1 mA, 1,5 mA, 2 mA) von der stimulierten Bereich. zum Beispiel, wenn Stimulationsintensität ist 1mA und der Elektrodengröße beträgt 16 cm 2 der geschätzte Stromdichte 0,0625 mA / cm 2 (dh., 1 mA / 16 cm 2 oder 62,5 & mgr; A / cm 2).

Aus konzeptioneller Sicht sind mehrere kortikalen Bereiche des Motorsystems zugänglich NEBS, entweder direkt, wenn der Bereich zu den kortikalen Oberfläche oder via Remote-Netzwerkeffekte nahe 43,44 26 befinden. die letztgenannte Technik in einem gesunden Teilnehmer zu verwenden ist schneller und einfacher als im Vergleich zu TMS-induzierte MEPs verwenden, aber TMS bietet überlegene Genauigkeit der einzelnen motorischen Rinden Darstellung von Interesse zu lokalisieren. Während die Notwendigkeit oder die funktionale Nutzen eine TMS-Hotspot verwenden, wie zum 20.10 System im Vergleich noch unbewiesen ist, TMS-induzierten Die Abgeordneten zeigen funktionelle Integrität von M1 und der Pyramidenbahn. Für Patienten mit Hirnverletzung (zB Schlaganfall) TMS-induzierte MEPs wird daher bevorzugt an den Motor lokalisieren kortikalen Darstellung verwendet, da es im Wesentlichen auf Läsion Größe und Position verschoben werden kann, und Sekundärmotor Bereiche können die Motorleistung zu erzeugen.

NEBS Elektrodengröße oder Montage kann kortikalen Bereichen neben dem interessierenden Bereich auswirken, was zu einer begrenzten focality der Stimulation selbst 46,47 kondensieren. Allerdings ist die funktionelle focality von aufgabenspezifischen Aktivierung bestimmter Synapsen 11 oder Netzwerke erhalten, die durch die Kombination von Aufgaben erweitert werden / Ausbildung mit Stimulation könnte entscheidend sein, 46: einerseits funktionell bildgebenden Untersuchungen unterschiedliche Netzwerkänderungen nach unilateraler oder bilateraler M1 tDCS aufgedeckt, oder tDCS gegen tRNS bzw. 14,15. . Auf der anderen Seite, der Nettoeffekt der anodischen tDCS und tRNS auf motorisches Verhalten, beispielsweise lernen, scheint ähnlich zu sein: Auf der Grundlage der wenigen Untersuchungen mit direkter Vergleich der Stimulation Typ / Montage, könnte man für positive Auswirkungen auf die motorische Funktion argumentieren solange M1 kontralateral zur getestet Hand wird von NEBS gezielte(im Fall von tDCS mit anodische Stimulation 4 - 6).

Robustesten Verhaltenswirkungen sind in der Regel gefunden, wenn die Stimulation und die Aufgabenausführung oder Training werden gleichzeitig 13 durchgeführt. Uneinheitliche Ergebnisse wurden für NEBS berichtet und Aufgaben angewandt nacheinander ein. Andere Elektrodenmontagen wie neu entwickelten High-Definition-tDCS kann Stimulation focality 48,49 erhöhen, sondern Zukunft Untersuchung in Bezug auf die Verhaltenskonsequenzen erforderlich. Kontrollierte Studien tRNS Auswirkungen auf die Takt-Motor Rehabilitation und Lernen, sowie vergleichende Studien verschiedener NEBS Strategien in Patientenpopulationen fehlen weitgehend zu bewerten. Zukünftige Studien mit NEBS des menschlichen motorischen Systems notwendig sind, um für ein besseres Verständnis von Versprechungen und Fallstricke der NEBS in klinische Anwendungen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

MC und JR werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG RE 2740 / 3-1) unterstützt.

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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Nicht-invasive Stimulation des Gehirns Montagen für die Modulation der Menschen Motor Function
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Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).More

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

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