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Behavior

人間の運動機能の調節のための非侵襲的電気脳刺激モンタージュ

doi: 10.3791/53367 Published: February 4, 2016

Summary

非侵襲的電気脳刺激は、両方の研究および臨床目的のために、皮質機能と動作を調節することができます。このプロトコルは、人間の運動系の調節のための異なる脳刺激的なアプローチについて説明します。

Abstract

非侵襲性の電気脳刺激(NEBS)は、両方の研究及び臨床目的のために、脳の機能と動作を調節するために使用されます。具体的には、NEBSは経頭蓋どちら直流刺激(TDCの)または交流電流刺激(TACS)として適用することができます。これらの刺激の種類は、タイムを発揮する用量と運動機能と健常者における学習スキルにTDCの極性特異的効果の場合インチ最近、TDCのストロークまたは運動障害を有する患者における運動障害の治療を増強するために使用されています。この記事では、TDCのと経頭蓋ランダムノイズ刺激(TRNS)で一次運動野を標的化するためのステップバイステップのプロトコル、事前定義された周波数範囲内でランダムに印加された電流を使用してTACSの具体的な形態を提供します。二つの異なる刺激モンタージュのセットアップについて説明します。両方のモンタージュで放出電極(TDCのためのアノード)は、目的の一次運動野に配置されています。ために片側運動皮質刺激両側性運動皮質の刺激のための受信電極が反対一次運動皮質上に配置されている間、受信電極対額上に配置されます。利点と皮質興奮性や学習などの運動機能を調節するための各モンタージュの欠点は、同様に安全性、忍容性および盲目の側面として、議論されています。

Introduction

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3 -非侵襲的な電気脳刺激(NEBS)、無傷の頭蓋骨を通して脳への電気電流の投与は、脳機能と動作1を変更することができます 。神経生理学的および行動効果につながる基礎となるメカニズムを理解NEBS戦略の治療可能性を最適化するにはまだ必要とされています。異なる研究所間でのアプリケーションと刺激手順の完全な透明性の標準化は、アクションの提案メカニズムの結果、評価の信頼性の高い解釈をサポートするデータの比較のための基礎を提供します。経頭蓋直流電流刺激(TDCは)または経頭蓋電流刺激を交互に(TACS)印加された電流のパラメータによって異なりますTDCのは、2つの電極(アノードとカソード)2との間に一方向の定電流の流れ構成されています- TACSは交流電流の印加を使用しながら6に特定の周波数7。経頭蓋ランダムノイズ刺激(TRNS)ランダム周波数( 例えば 、100から640 Hz)で迅速に変化する刺激強度をもたらし、極性による影響4,6,7の除去に印加される交流電流を使用TACSの特殊な形式です。刺激の設定は、 例えば 、ランダムに1ミリアンペアのベースライン強度(通常は使用しません)の周りに変化するノイズスペクトルをオフセット刺激が含まれている場合極性は関連性があります。この記事の目的のために、我々は密接に私たちの研究室6からの最近の発表後、モータシステム上のTDCとTRNSエフェクトを使って作業に焦点を当てます。

TRNSの行動の根底にあるメカニズムは、それ以下のTDCのより理解が、後者の可能性が異なるされています。理論的には、確率共鳴TRNSの概念的枠組みに番目を変更することによって、信号処理の利点を提供することができる神経系への刺激によって誘導されるノイズを導入電子信号対雑音比4,8,9。 TRNSは主に弱い信号を増幅することができるので、タスク固有の脳活動(内因性のノイズ9)を最適化することができます。陽極TDCのは、数分から数時間のための刺激の持続時間をoutlasting効果と皮質の興奮性(MEP)自発的なニューロンの発火率10の変化によって示されるまたは増加モータが誘発電位振幅2を増加させます 。長期増強として知られているシナプスの有効性の長期的な増加は、学習と記憶に貢献すると考えられています。確かに、陽極TDCの繰り返し弱いシナプス入力11によって活性化され、モータ皮質のシナプスのシナプス伝達効率を向上させます。また、この活動依存プロセスの前提条件として、シナプスの同時活性化を示唆し、13 -よれば、改善された運動機能/スキルの獲得は、多くの場合、刺激が運動トレーニング11と同時適用の場合にのみ明らかにされています。それにもかかわらず、Cの増加との間に因果関係ortical興奮一方で(発火率またはMEP振幅の増加)と改善されたシナプス効力一方(LTPまたはそのような運動学習としての行動機能)が実証されていません。

NEBSは人間の運動機能1を調節するために安全かつ効果的な方法として関心が高まっを集めている一次運動野(M1)に適用されます。 6,14,15 -神経生理学的効果と行動の結果は、刺激戦略( 例えば 、TDCの極性またはTRNS)、電極の大きさとモンタージュ4に依存してもよいです。別に被験者固有の解剖学的および生理的要因から電極モンタージュを大幅電界分布に影響を及ぼし、皮質16内の電流拡散の異なるパターンをもたらすことができる- 18。電極の印加電流の大きさの強さに加えて3供給される電流密度を決定します。共通電極モンタージュ人間のモータでは、システムの研究は、( 図1)を含む :1)陽極TDCの関心のM1と反対側の額に位置するカソード上に位置するアノードとの一方的なM1刺激として;このアプローチの基本的な考え方は、関心6,13,19のM1における興奮性のアップレギュレーションである- 22; 2)陽極TDCの二国間のM1刺激 (また、目的のM1および対M1 5,6,14,23,24に位置するカソード上に位置するアノードとの)「bihemispheric」または「デュアル」刺激と呼ばれます。このアプローチの基本的な考え方は、反対M1に興奮をダウンレギュレートしながら、興味のあるM1に興奮のアップレギュレーションによる刺激のメリットを最大化である( すなわち 、2 M1S間の半球間抑制の変調)。 3)TRNSについては、唯一の上記の一方的なM1刺激モンタージュはinvestigされましたated 4,6;このモンタージュの興奮とTRNSの強化効果は100から640ヘルツ4の周波数スペクトルのために発見されています。脳刺激戦略と電極モンタージュの選択は、臨床や研究の設定でNEBSの効率的かつ信頼性のある使用のための重要なステップを表します。ヒト運動系の研究で使用され、方法論及び概念的態様が説明されているように、ここでこれら三つのNEBS手順が詳細に記載されています。片側性または両側のTDCと一方的TRNSのための材料は、( 図2)と同じです。

図1
明確なNEBS戦略の図1.電極モンタージュと電流方向。(A)一方的な陽極経頭蓋直流電流刺激(TDCは)のためには、アノードは、興味のある一次運動野とトンの上に位置するカソードの上に中心があります彼は超軌道面積を反対側。両側性運動皮質刺激のための(B)は 、陽極と陰極は、1つの運動皮質の上にそれぞれ配置されています。陽極の位置は、陽極TDCのための目的の運動野を決定します。一方的な経頭蓋ランダムノイズ刺激(TRNS)について(C)は 、一方の電極が運動野と反対側の上記軌道領域の上に他の電極上に配置されています。電極間の電流の流れを黒矢印で示されています。陽極(+、赤)、カソード-交互(青)、(+/-、緑)現在。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Protocol

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倫理の声明 :ヒトでの研究は、研究開始前に参加者の書面によるインフォームドコンセントが必要です。参加者の募集の前に、関連する倫​​理委員会による承認を取得します。研究はヘルシンキ宣言に従っていることを確認してください。ここで報告された代表的な所見( 図4)は、59 番目の WMA総会、ソウル、2008年10月によって改正、フライブルク大学の地元の倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言に従って行わ調査に基づいています。すべての被験者は、試験開始6の前に書かれたインフォームドコンセントを与えました。

1.安全のスクリーニング

  1. 例えば 、非侵襲的脳刺激3の潜在的な禁忌のために参加者を選別。、アンケート25を使用することによって。

2.運動野のローカライズ

  1. 2ディのいずれかで、参加者の手の運動皮質を見つけます経頭蓋磁気刺激(TMS)により、関心の筋肉の脳の表現を配置することによりstinctアプローチは、MEPを誘発、または測定テープ26でEEG 10月20日、国際システムに基づく標準的なM1の位置(C3 / C4)を配置することにより。
  2. TMSによって誘発されるMEPの記録のためのクレジットカード、携帯電話、一般的には金属製のものを含め、TMS磁場によって影響され得る任意のオブジェクトを削除するには、参加者に依頼してください。
  3. 快適に座って参加者を確認して下さい。
  4. EMGアンプおよびソフトウェアインタフェースを使用したときに、信号の設定および取得のために使用されるコンピュータの間の接続を確認してください。
  5. EMGアンプの電源をオンにし、EMG電極ケーブルを接続します。
  6. 静かに電極が配置される手の領域における皮膚の準備ペーストでこすることにより、クリーン参加者の肌。清潔なガーゼパッドと過剰削除します。
  7. の手の筋肉に腹腱モンタージュでEMGの表面電極を取り付け関心( 例えば 、M。外転pollicisの右手のブレビス)とは、接地電極を接続する( 例えば 、前腕に)。研究の目的は、使用する手の筋肉を決定します。
    :再使用可能な電極の場合には、参加者の皮膚に取り付ける前に、電極表面上に導電性ペーストの少量を適用する必要があります。
  8. MEPのデータ保存が望まれる場合(オプションのステップ)MEP取得のための録音ソフトウェアを起動します。
  9. EMGのインピーダンス値を確認してください。インピーダンスがあることを確認します<20キロオーム。
  10. 磁気刺激装置の電源をオンにし、対応する「電荷」ボタンを押すことによりコンデンサを充電。
  11. 大脳縦裂の参加者の頭皮に8の字TMSコイルを配置し、運動皮質領域(EEG 10/20国際システムの位置の周りのC3 / C4)に移動します。大脳半球間fissuを基準に45 O -50 Oの角度でTMSコイルを保持します27,28再、ハンドルに29を前方ために後方から皮質電流の流れを生成する、後方指向。
    :2つの異なるTMSコイルが運動皮質の局在化のために使用されている:8の字や円形コイルを。可能な場合、それはより多くの焦点脳刺激30および皮質興奮性31の測定値のより高い信頼性を提供するよう、8の字コイルを使用しています。
  12. 磁気刺激は、(可視ディスプレイ上)に充電されると、トリガボタンを押すことによって、またはソフトウェアプログラムによってフットスイッチを踏んでまたは自動的にのいずれかによって刺激を放出します。これは、その後、参加者の頭皮上に配置された接続TMSコイルを介して単一のTMSパルスをお届けします。デフォルトTMSパルスの設定( 例えば 、100マイクロ秒は単相性刺激のための誘導電流と800μsの減衰時間の時間を上昇;二相性刺激のための短い減衰時間)デバイス(ファームウェア)に固有のものです。
  13. 低刺激強度で開始します( 例えば 、刺激に刺激強度コントローラノブを使用して、45%の出力に強度を設定)し、EMGアンプに見えるのMEPを監視します。
    1. MEPは明らかに存在するまで、MEPは目に見える増加2-5%刻みで刺激強度でない場合( 例えば 、0.5〜1 mVの振幅)。トリガボタンを押すか、パルス送達が自動化されていない場合には、フットスイッチを活性化することによって刺激を繰り返します。刺激がやや強くなるとその手足の動き、顔のけいれんと目を点滅が期待されている参加者に通知してください。
      :脳の興奮に低周波の刺激効果を回避するために、パルス間の5秒の最小間隔を確立します。
  14. 単一のTMSパルスの適用後の最大のMEP応答で場所を見つけるために、最初は刺激部位の周囲1cmのステップで半径方向にコイルを移動します。そこから、固定するためにコイルを移動させ、再び開始「ホットスポット」(最大MEP振幅を持つ皮質領域)。
    :キャップはNEBSの電極配置のために除去する必要があり、ホットスポットの位置が失われる可能性がありますので、ヘッドキャップの使用(。 例えば 、グリッドマーキングに使用)ローカライズ手順のはお勧めしません。
  15. (MEPがまだ存在していなければならない)刺激に刺激強度コントローラノブを使用して-steps約2%に刺激強度を減らします。これは、超最大刺激に不正確さを避けることができます。ホットスポットの周りに1cmのステップで半径方向にコイルを移動し、MEPのサイズをチェックしてホットスポットを再確認してください。ホットスポットは、依然として最も大きく、最も一貫性のMEP振幅に対応する必要があります。
    注意 :ホットスポットを見つけることは困難である場合に自発的に興味の筋肉を収縮させる参加者を確認して下さい(。 例えば 、高い刺激強度で無MEPの存在)。そうすることによって、MEPを誘発するために必要な刺激強度を減少させます関連する皮質刺激部位を識別しやすくすることができます。この方法を使用する場合は、関連する刺激部位を発見した後、筋肉を弛緩し、筋肉が静止しているときに信頼性のMEPを見つけることができるように、刺激強度を調整するために参加者に求めます。ホットスポットを見つけるために進んでください。
  16. 非永久的皮膚マーカーでホットスポットの位置とコイルの向きをマークします。
  17. 二国間のM1の刺激のために、繰り返しは対側肢のために2.16に2.11を繰り返します。

3. NEBS電極の準備

  1. ゴム電極にケーブルを接続し、スポンジ袋の内側に電極を配置します。電極の大きさとスポンジ袋のサイ​​ズが一致しないことを確認してください。材料は、標準サイズ( 例えば 、5×5 cm 2であり、5×7センチ2)で市販されています。
  2. 等張NaCl溶液で両側にスポンジ袋を浸したが、ボランティアに塩橋や垂れを防止するために、過度の浸漬を避けます。
    1. このステップはoptionaですL:NaCl溶液の漏出を防止する包帯の代わりにゴムバンドを使用する場合、非導電性ゴムスポンジカバーの内部電極とスポンジバッグを配置します。
      また、導電性ペーストをゴム電極をカバーし、参加者の頭の上に直接に置き、 すなわち、スポンジ袋やゴムスポンジのカバーを使用していない:注意してください。

4. NEBS電極の配置(図1)

  1. ヘッドマーキング(s)はモータ皮質のホットスポットを示すを検索し、領域の周囲に髪を分けます。
  2. コンダクタンスは静かに40から50までパーセントのアルコールまたは皮膚準備ペーストに浸した綿棒でヘッドマークの周りの皮膚領域をこすることにより電極配置の前に肌をきれいに改善するために。皮膚に傷を付けないでください!等張NaCl溶液で再び綿棒や清潔な場所で過剰を削除します。その後エリアを乾燥させます。
    注:表示されたまま(複数可)マーキング必ずヘッドを作ります。必要に応じて発言。 関心のM1(関心の手に対側)のためにマーキングヘッド、次の1の電極を配置します。肌に直接触れる可能な限りのスポンジを持参してください。刺激および/またはタスクの実行中に妨害を回避するために、参加者の背中に向かって電極ケーブルを置き、NEBSデバイスへの接続を容易にします。
    注:電極下の髪は湿っ取得する必要があります。過剰な毛湿潤の場合には、過剰を吸収するために紙や手タオルを使用しています。
    注:陽極のTDCは、関心対象の運動皮質ホットスポット上に配置された電極は、(興奮性の増加が所望される)は、通常、赤色ケーブルに接続され、アノードに相当します。カソードは、(通常、黒または青のケーブルに接続された)反対眼窩上の領域またはM1(下記参照)上に配置されます。古典的なプロトコルでは極性の特異性はないが、従来、電極配置が原因交互カレンに、TRNSで同じですTフロー。刺激設定はオフセット刺激が含まれている場合、特定の配置は重要であり得ます。
  3. 一方的なM1刺激の場所のための(陽極TDCのため:カソード)は、第2の電極(EEG 10/20国際システムにてFp2を電極に対応)、対前出軌道領域の上。ケーブルは参加者の背中に向かって配向していることを確認します。
  4. 二国間のM1の刺激のためにステップ4.4をスキップします。反対M1の研究で使用される肢と同側のマーキングヘッド以下:(陰極陽極TDCのための)第二の電極を配置します。ケーブルは参加者の背中に向かって配向していることを確認します。
  5. その後、両方の電極を安定させるために、前後方向に環状に頭をカバーするために、残りの包帯を使用して、M1電極を安定させる内外横方向の円弾性包帯で二回頭をカバーします。
  6. バンダグの端を固定するために粘着テープを使用します電子。
  7. 参加者の首やシャツに粘着テープでケーブルを固定します。
  8. NEBSデバイスに電極ケーブルを接続します。

図2
非侵襲的電気脳刺激プロトコルで使用される図NEBSプロトコルのために使用される2.材料を。従来の材料は、NEBSデバイス、電極ケーブル、導電性ゴム電極、穴あきスポンジ袋、ゴムスポンジカバー(オプション)、等張NaCl溶液と包帯が含まれています。 してくださいこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

5.刺激

  1. NEBSデバイスのスイッチをオンにします。
  2. 刺激の種類(TDCのかTRNS)に関するNEBSデバイスの設定を調整し、強度( 例えば 、1ミリアンペア、1.5ミリアンペアまたは2ミリアンペア)、時間( 例えば 、10〜40メートル中)、(刺激と最大強度、典型的には8-15秒の始まりの間の時間)、および刺激の種類に関連した追加の要因TRNS(例えば、周波数スペクトル)ダウンランプアップと。
    注:従来、偽刺激はすぐにランプダウンが続くランプアップが含まれます。したがって、参加者は、刺激の感覚を持っているが、刺激の持続時間は、脳機能の持続的な効果を発揮するのに十分ではありません。一部のNEBSデバイスは、研究、特定の対象コードを入力することで、参加者と研究者の目詰まりを可能にする学習モードを含みます。コー​​ドは自動的に刺激の設定を決定します。あるいは、第二の実験では、各セッションで刺激設定を設定し、刺激を行う実験者からディスプレイをカバーすることができます。
  3. NEBSに関連する潜在的な副作用について参加者に通知してください。一般的な有害作用は、皮膚のかゆみ/チクチクまたは灼熱感解除を含みます電極、頭痛、および不快感32を derneath。灼熱感は、皮膚との貧弱な電極接触の徴候である可能性があります。
  4. 刺激を開始します。
    注意:一般的な刺激持続時間は、(代表的な結果のセクションを参照してください)皮質興奮性に変化を調査報告書に基づいて、約10〜20分間持続します。経験的に、最大刺激時間は40分で3に設定しました。
  5. ランプアップし、刺激中に刺激の継続を確認してください。インピーダンスが高すぎるか、電極が皮膚との接触不良である場合、刺激は自動的に終了することができます。
    注:場合、インピーダンスが高すぎるか、刺激中に不快感を増加させ、参加者のレポートがによってインピーダンスを減少しようとすると、 例えば 、より良い刺激部位に電極を固定または導電性媒体を加えます。 NaCl溶液は、その配置O後スポンジに直接注射器を使用して追加することができますn個のヘッド。
    注意:安全上の理由から、一部のデバイスは、刺激を通してインピーダンスを報告しています。インピーダンスが所定の閾値( 例えば 、55キロオーム)に達した場合NEBS装置を遮断することができます。
  6. NEBSはモータータスクの実行と同時適用されている場合は刺激がランプアップされ、参加者が刺激と快適に感じているの後に、テスト/トレーニングを開始します。ケースでの研究では、必ず参加者が刺激期間中に座って目を覚ましたままにすると、刺激が終わるまで待って、刺激中の運動課題が含まれていません。
  7. 刺激の副作用、 例えばのための参加者に確認してください。、標準化されたアンケート32を配ったり、直接参加者を尋ねること。刺激の複数の日を含めた研究の場合には、日間のいずれかの可能性のある副作用のメモを取ります。
    注:有効性を盲検化を評価するために、各刺激sessio後に参加者に尋ねますnは参加者が受けている刺激の種類(シャム/条件)を推測します。実験者はまた、盲検化された場合、実験者はまた、参加者の刺激のタイプに関する彼の推測に注意してください可能性があります。正しい推測33の速度を確認するために、実際の刺激タイプの回答を比較してください。
  8. このような40から50パーセントのアルコールなどの非有害物質と電極とスポンジを消毒。徹底的に、その後水で洗い流してください。材料は、保管する前に乾燥させます。

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Representative Results

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人間の運動システム上NEBSの影響を調べるためには、適切なアウトカム指標を考慮することが重要です。モータシステムの一つの利点は、電気生理学的ツールで皮質表現のアクセス可能性です。モータは電位が頻繁にモータ皮質の興奮性の指標として使用されている誘発しました。 29μA/ cm 2の電流密度で陽極のTDCの9分以上の適用後、モータ皮質の興奮性は、健康ボランティア19,21,22(また図3を参照)の大部分で、少なくとも30分間上昇します。陰極TDCのは、ほとんどが反対(興奮減少)は全く効果19,22を引き起こします 。しかし、最近では22論じたように、陽極と陰極TDCのための効果とは反対の方向を示すいくつかの科目とレスポンス方向にある程度の変動があります。これは、サンプルサイズの計算のために考慮されるべきです研究でNEBSを使用。興味深いことに、M1の興奮で同等の変更が一方的及び二国間のTDCの5,23の後に発見された、簡単な運動機能は、同様に各刺激タイプ5の直後に向上しました。したがって、追加のダウンレギュレーションの二国間M1モンタージュを使用して反対側のM1の興奮のかどうか、現在調査中である(下記参照)運動行動に特有の利点を発揮します。これとは対照的に、休止状態のfMRIは明らかに異なる皮質ネットワークの変更を示した:一方的なのTDCは、前頭前野、頭頂及び小脳領域34で機能的結合を調節しながら、二国間のTDCは、一次および二次モーターおよび前頭前野領域に機能的結合を調節します。

TRNSは最近皮質興奮性4を調節するツールとして開発しました。交流TRNSのためには限りがある(極性の特異性なしで適用されます何の)刺激強度のオフセットされていません。しかし、TRNSの効率が低い周波数よりも堅牢な効果を示す高い周波数(100から640ヘルツ)で、適用されるノイズスペクトルに依存するようです(<100 Hz)で4。直接一方的な陽極のTDCのと比較すると、(MEP振幅の変化によって測定される)M1の興奮の類似しているが、わずかに長く持続増加が一方的TRNS( 図3)の後に発見されました。

図3
異なるNEBS戦略後のモータ皮質の興奮性の図3.時間経過。一方的な陽極経頭蓋直接刺激(TDCは)または経頭蓋ランダムノイズ刺激(TRNS)の10分が主に適用される前と後のMEP振幅が時間の関数として示されています29μA/ cm 2の(1ミリアンペア/ 35 cm 2)での電流密度での運動皮質。エラーバーはindicat電子標準誤差。 TRNSが陽極TDCのに比べてモータ皮質の興奮性に対する同様の効果を発揮することに注意してください。ベースラインレベルにMEP振幅が戻った後、約陽極TDCのためとTRNSのための90分後の50分。テルネイ (2008年)4からの許可を得て。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

研究デザインの異質性にもかかわらず、一般的な概念は、運動機能にTDCのとTRNSの効果を試験NEBS試験から進化し始める:同時にトレーニング/テストに適用されたときNEBSは、モータの性能やスキルに影響を与えます。シリアルをReactiに38 -陽極TDCのとTRNSは、全ての学習暗黙のモータシーケンス4,35を改善することが示された一方的なM1の刺激またはトレーニング中二国間M1刺激として適用される陽極TDCのように適用されます時間タスク39に。同様に、運動トレーニング中に適用片側陽極用のTDCは、明示的な運動学習パラダイム40学習の速度を増加させることが示されました。しかし、暗黙的および明示的な運動学習上の陰極刺激の効果が異なるように見える:トレーニング中陰極のTDCが大幅に暗黙的な運動学習35時の学習配列に影響を及ぼさなかったが、それは負の明示的なモータ 40 の学習に影響を与えることが報告されました。この矛盾の理由は、さらなる調査が必要です。

複数の日陽極TDCの上での学習より複雑な運動技能に焦点を当てた以前の研究では13,20を学習大幅に強化された視覚運動技能を訓練中に一方的なM1刺激として適用されます。スキルは、移動速度( すなわち 、速度精度、トレードオフ)の関数としての移動精度の変化によって決定しました。驚くべきことに、直接比較で一方的な二国間M1陽極TDCのと一方的TRNS視覚運動単語と文字トレースタスク6( 図4A)での学習をすべて強化されたスキルの両方の電極モンタージュと刺激タイプ、の。メカニズムに関しては、のTDCとTRNSは同じ作用機序により作動するかどうか現時点では不明です。しかし、セッション内のス​​キル向上の時間経過を明確たTDCとTRNS間で異なっ:片側性のTDCは、刺激が開始された直後に、スキルの向上に大きな効果を発揮しました。これとは対照的に、二国間のTDCとTRNSはゆっくりセッション( 図4B)の間にスキルの向上を強化します。この発散はNEBSの種類と運動学習過程の間に一時的に特異的な相互作用を指します。今後健常者における運動系の調査だけでなく、神経疾患を有する患者のための刺激の種類を選択するときにこれが考慮されるべきです。

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異なるNEBS戦略によりトレーニングや増強によって運動技能の 図4. 強化。刺激群あたりの運動訓練の3日間運動スキルにおける(A)の変更。スキルは、偽刺激対照群では時間をかけて大幅に増加し、それぞれNEBS戦略によってさらに強化されています。運動学習のサブコンポーネントの(B)散布図。すべての刺激群は、偽刺激対照群に比べ有意に高い全体的な運動学習を提示します。偽コントロールと経頭蓋ランダムノイズ刺激(TRNS)と比較すると、すなわち 、刺激の発症後のスキルの最初の変化、 - 。唯一の一方的な陽極経頭蓋直流電流刺激(TDCのは)運動学習に大きな即時の効果を明らかにする。 DC:M1-SO =一方的なTDCの。 DC:M1-M1 =二国間のTDC。 RN:M1-SO =一方的TRNS。 * P <0.05、** P <0.01。エラーバー=平均値の標準誤差。プリチャード (2014年)6からの許可を得て。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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このプロトコルは、手の運動機能やスキルNEBS、陽極TDCは、と一方的TRNSに特に一方的及び二国間のM1刺激​​を用いた学習の調節のための典型的な材料や処理手順を説明します。人間の運動系の研究のために特定のNEBSプロトコルを選択する前に、 例えば 、運動学習、方法論的な側面(安全性、忍容性、盲検化)だけでなく、概念的態様(特に脳領域上のモンタージュや現在のタイプ特異的な効果)の文脈で考慮する必要があります。利点および3つの戦略の制限は、 表1に示します

NEBSタイプ 利点 制限
TDCのとTRNSを陽極に共通します セーフ
格安
投与が容易です
corticaに影響をOutlastingリットル興奮(90分まで)
運動機能および運動障害と健常者と患者の学習運動技能の向上
機能focalityは、特定のタスクにNEBSの組み合わせによって到達されます
構造的な刺激focalityは限られており、電極サイズとモンタージュによって定義されています
大きい方の電極は、関心のあるM1に隣接する皮質領域を刺激することができます
片側M1刺激
(TDCの)
極性特異性(関心のM1で興奮変化の方向を選択することができます) 電極(陰極)を受信すると、活性電極であり、基礎となる脳の領域に交絡効果を発揮することができます
高い刺激強度でまばゆいばかりの困難参加者(電流密度> 40μA/ cm 2で、 例えば 、> 1ミリアンペア/ 25cm 2の)
二国間M1刺激
極性特異性(関心のM1で興奮変化の方向を選択することができます)
関心のM1(反対M1上の所望の低減効果)の興奮性の増加に加えて、半球間の接続の発音変調
高い刺激強度でまばゆいばかりの困難参加者(電流密度> 40μA/ cm 2で、 例えば 、> 1ミリアンペア/ 25cm 2の)
電極の近くに分流のリスクが高いです
片側M1刺激
(TRNS)
最小の副作用
改善された参加者は盲目
無極性特異ありません
興奮と運動行動への影響は、高周波数スペクトル(100から640ヘルツ)で、より強固です

NEBS、非侵襲的電気脳刺激。 M1、一次運動野。 TDCは、経頭蓋直流電流のtimulation; TRNS、経頭蓋ランダムノイズ刺激

表1: メリットとTDCのとTRNSの限界。

ビュー被験者の方法論的観点から常にアンケートや標準化されたインタビュー使っNEBS 3,41のための禁忌のために徹底的にスクリーニングされるべきである( 例えば 、キールら、2001 25)。これらは、TDCのとTRNSの間に違いはありません。絶対的なNEBSの禁忌が含まれます:1)頭蓋骨の変形を、 例えば 、による骨折のために、それは、電流の流れに影響を与えると予想外の副作用を促進することができるように、。 2)NEBSが負の医療機器の機能に影響を与える可能性があるとして、医療機器、 例えば 、人工内耳と脳刺激装置を移植。 TMSの使用のために( 例えば 、運動皮質の局在化のための(プロトコルステップ2)参照)も、それらのオブジェクトのように、絶対的禁忌を表す強磁性頭部/頸部領域内のオブジェクト、( 例えば 、榴散弾、外科用クリップを)sが磁場によって脱臼し、参加者のリスクをもたらすことができます。追加の除外基準はオプションであり、研究の目的に依存します。一般的な追加の禁忌が含まれます:85歳以上の1)年齢; 2)妊娠。主に)ヘッドに関する慢性皮膚疾患(3)歴史。 4)前脳刺激プロトコルに悪影響。 5)頻繁または重度の頭痛、 例えば 、偏頭痛の歴史。 6)てんかん発作の病歴;そして7)ペースメーカー。ペースメーカーを持つ参加者のために10cmの最小安全距離は、その機能との干渉を防止するために、刺激部位とペースメーカーの間に維持されるべきです。

絶対禁忌のいずれかに該当する場合に被験者は刺激すべきではありません。 NEBSデバイスはmAレンジの最大出力を持つべき安全上の理由から、バッテリー駆動であるべきであり、充電器がコンセントに接続されている間に使用するべきではありません。プロトコルごとに適用すると、TDCのとTRNSはトンも通常、32を olerated。刺激の副作用は、かゆみ、チクチク感、および頭痛刺激持続時間をoutlastingまたは片頭痛発作の引き金を含むことができます。しかし、(複数の連続セッションを含む)が推定16.000 TDCのセッションからの副作用が報告されていない重度のTDC(Bikson M.、私信、2015;製剤中のメタアナリシス)。副作用には、注意深い刺激電極の調製および配置によって最小化することができます。これには、導電性ペーストまたは生理食塩水に浸したスポンジで覆われたゴム電極、及び刺激(ランプアップとランプダウンの長い期間外3.フェージングのような導電性媒体を介して刺激を適用する1.皮膚病変の検査、2。 ( 例えば 、15秒))より少ない副作用を伴う、および4インピーダンス制御されています。参加者は通常、すぐに刺激をランプアップした後、電極の下の皮膚感覚に慣らします。ほとんどの場合、皮膚感覚でTRNSと少ないかでありますすべては、6のTDC(TDCので正しい状態推測のより高いレートと比較して、偽とTRNSの正しい条件の推測の結果として、同様の速度)に比べて、知覚しました。これは、参加者の最適な目詰まりが重要である研究に有利であり得ます。しかし、研究参加者の大部分で正常に少なくとも中刺激強度32,42に低いと、本当および偽TDCの間に知らされていませんでした。これは、ピリピリ感42を引き起こすが、明らかに皮質機能2を変更しない偽モードで数秒間の短いランプアップとダウンの実装に起因する可能性が高いです。ピリピリ感を誘発し、自動的にいくつかの秒後に刺激をオフにする「アクティブ」偽モードを使用すると、単に参加者の頭部に電極を配置し、NEBSデバイスを起動していないと比較して、参加者と研究者の双方を盲目にするための優れた方法であってもよいです。

刊行物の比較のためのTが">電流密度、電極のサイズすなわち、面積を標的)、電極の配置、電極と皮膚、ランプアップのための期間とダウン、刺激期間と副作用との間の導電性基板を示している。これは、ことに留意すべきです単独の刺激強度の宣言は、刺激された面積で(、。 例えば 1ミリアンペア、1.5ミリアンペア、2ミリアンペア)の電流密度を計算するために刺激強度を分割する。参加者に供給される電流密度を推定するのに十分ではない。例えば、刺激強度が1ミリアンペアで、電極サイズが16 cm 2である場合は、推定電流密度0.0625 MA / cm 2の( すなわち 1 MA / 16 cm 2以上 62.5μA/ cm 2)でした。

ビューの概念的な観点から、モータシステムのいくつかの皮質領域は、領域は皮質表面に、またはリモートネットワーク効果43,44を介して、近くで直接的場合、NEBSによってアクセス可能です26を使用することによってのいずれかで配置することができます。健康的な参加者に後者の技術を使用すると、TMSによって誘発されるのMEPを使用する場合と比較して迅速かつ容易ようですが、TMSは、関心のある個々の皮質運動表現をローカライズするための優れた精度を提供します。必要性または10/20のシステムと比較して、TMSのホットスポットを使用してからの機能の利点はまだ証明されていないが、TMSによって誘発されるMEPがM1と錐体路の機能的完全性を実証します。それは主に病変の大きさおよび位置、および二次運動野にシフトすることができるように、脳の病変例えば、卒中)TMS誘発性のMEPを有する患者は、したがって、優先モータ皮質表現を検索するために使用されるためには、モータの出力を生成することができます。

NEBS電極の大きさやモンタージュは、刺激自体の限定されたfocalityで、その結果、関心領域に隣接する皮質領域に影響を与える可能性があります46,47を凝縮することができます。しかし、刺激とタスク/トレーニングを組み合わせることによって増強される特定のシナプス11またはネットワークのタスク固有の活性化によって得られた機能focalityは、より重要な46のようになります。一方で、機能イメージング研究は、二国間のM1のTDCに対する一方的な後の異なるネットワークの変更を明らかにし、またはTRNS、それぞれ14,15対のTDC。 。一方、運動行動上の陽極TDCのとTRNSの、正味の効果、 例えば 、学習、似ているように思われる:刺激タイプ/モンタージュの直接比較でいくつかの調査に基づいて、1は、運動機能にプラスの効果を主張できましたテストした手にM1の反対側限りは、NEBSによって標的とされています( - 6陽極刺激4とのTDCの場合)。

刺激とタスクの実行やトレーニングが同時に13に行われているときに最も堅牢な行動への影響は通常、発見されました。一貫性のない結果が連続して1適用NEBSおよびタスクのために報告されています。このような最近開発された高精細TDCのような他の電極モンタージュは、刺激focality 48,49を増加させるが、行動の結果に関する将来の調査が必要な場合があります。制御された研究では、脳卒中運動リハビリテーションや学習にTRNSの効果を評価するだけでなく、患者集団における明確なNEBS戦略の比較研究は、大部分が失われています。人間の運動系のNEBSとの今後の研究は、臨床応用におけるNEBSの約束と落とし穴をよりよく理解するために必要です。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgments

MCとJRは、ドイツ研究協会(DFG RE 2740 / 3-1)でサポートされています。

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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人間の運動機能の調節のための非侵襲的電気脳刺激モンタージュ
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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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