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Behavior

No invasiva de estimulación cerebral eléctrica Montajes para la modulación de la función motora humana

doi: 10.3791/53367 Published: February 4, 2016

Summary

estimulación eléctrica cerebral no invasiva puede modular la función y el comportamiento cortical, tanto para fines de investigación y clínicos. Este protocolo describe diferentes enfoques de estimulación cerebral para la modulación del sistema motor humano.

Abstract

No invasiva la estimulación eléctrica del cerebro (NEBS) se utiliza para modular la función cerebral y el comportamiento, tanto para fines de investigación y clínicos. En particular, se puede aplicar NEBS transcraneal ya sea como la estimulación de corriente directa (tDCS) o alternantes de estimulación de corriente (TAC). Estos tipos de estimulación ejercen tiempo-, la dosis y en el caso de tDCS efectos de polaridad específica sobre la función motora y la habilidad de aprendizaje en sujetos sanos. Últimamente, tDCS se ha utilizado para aumentar la terapia de la discapacidad motora en pacientes con trastornos de accidente cerebrovascular o de movimiento. Este artículo proporciona un protocolo paso a paso para la orientación de la corteza motora primaria con tDCS y la estimulación transcraneal de ruido aleatorio (RRT), una forma específica de los TAC utilizando una corriente eléctrica aplicada al azar dentro de un rango de frecuencia predefinida. La configuración de dos montajes diferentes de estimulación se explica. En ambos montajes el electrodo emisor (el ánodo para tDCS) se coloca en la corteza motora primaria de interés. porestimulación de la corteza motor unilateral el electrodo receptor se coloca en la frente contralateral mientras que para la estimulación bilateral corteza motora se coloca el electrodo de recepción en el lado opuesto de la corteza motora primaria. Se discuten las ventajas y desventajas de cada uno de los montajes para la modulación de la excitabilidad cortical y la función motora, incluyendo el aprendizaje, así como la seguridad, la tolerabilidad y los aspectos que causan ceguera.

Introduction

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Estimulación no invasiva eléctrica del cerebro (NEBS), la administración de las corrientes eléctricas en el cerebro a través del cráneo intacto, puede modificar la función cerebral y el comportamiento 1 - 3. Para optimizar el potencial terapéutico de las estrategias de NEBS comprensión todavía se necesitan los mecanismos subyacentes que conducen a efectos neurofisiológicos y de comportamiento. La estandarización de las aplicaciones en diferentes laboratorios y la plena transparencia de los procedimientos de estimulación proporciona la base para la comparación de los datos que apoya la interpretación fiable de los resultados y la evaluación de los mecanismos de acción propuestos. Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) o transcraneal alterna corriente de estimulación (TAC) se diferencian por los parámetros de la corriente eléctrica aplicada: tDCS consiste en un flujo de corriente constante unidireccional entre dos electrodos (ánodo y cátodo) 2 - 6 TACS mientras utiliza una corriente alterna aplicada en unafrecuencia específica 7. Estimulación transcraneal ruido aleatorio (RRT) es una forma especial de los TAC que utiliza una corriente alterna aplicada a frecuencias aleatorias (por ejemplo., 100-640 Hz), resultando en mayor o menor rapidez intensidades de estimulación y la eliminación de los efectos relacionados con polaridad-4,6,7. La polaridad es solamente de importancia si la configuración de estimulación incluye una estimulación offset, por ejemplo, el cambio de espectro de ruido al azar en torno a una intensidad de línea de base mA 1 (por lo general no se utiliza). A los efectos de este artículo, nos centraremos en el trabajo usando tDCS y efectos RRT en el sistema motor, siguiendo de cerca una publicación reciente de nuestro laboratorio 6.

Los mecanismos subyacentes de la acción de tRNS aún menos se entiende que de tDCS pero probablemente diferente de este último. En teoría, en el marco conceptual de la resonancia estocástica tRNS introduce ruido estimulación inducida a un sistema neuronal que puede proporcionar un beneficio de tratamiento de la señal mediante la alteración de THe-señal-ruido 4,8,9. TRNS puede amplificar predominantemente señales más débiles y por lo tanto podría optimizar la actividad cerebral específica de la tarea (ruido endógena 9). TDCS anódico aumenta la excitabilidad cortical indica mediante la alteración de la velocidad de la descarga neuronal espontánea o un aumento de 10 potencial evocado motor (MEP) amplitudes 2 con los efectos durar más que la duración de la estimulación de minutos a horas. Se cree que los aumentos de larga duración en la eficacia sináptica conocido como potenciación a largo plazo para contribuir al aprendizaje y la memoria. De hecho, tDCS anódico mejora la eficacia sináptica de la sinapsis corticales motoras activadas en varias ocasiones por una entrada sináptica débil 11. De acuerdo, la adquisición mejora la función motora / habilidad a menudo se revela sólo si la estimulación es co-aplicada con el entrenamiento motor 11 - 13, que también sugiere sináptica co-activación como requisito previo de este proceso depende de la actividad. Sin embargo, la causalidad entre el aumento de cexcitabilidad ortical (aumento de la tasa de disparos o MEP amplitud) por un lado y la mejora de la eficacia sináptica (LTP o función del comportamiento tales como el aprendizaje motor), por otro lado, no se ha demostrado.

NEBS aplicada a la corteza motora primaria (M1) ha atraído un interés creciente como método seguro y eficaz para modular la función motora humana 1. Efectos neurofisiológicos y resultado conductual pueden depender de la estrategia de estimulación (por ejemplo, polaridad tDCS o tRNS), el tamaño del electrodo y el montaje 4 - 6,14,15. Aparte de los factores anatómicos y fisiológicos sujetos-inherente el montaje de electrodos influye significativamente en la distribución de campo eléctrico y puede dar lugar a diferentes patrones de corriente se extienden dentro de la corteza 16 a 18. Además de la intensidad de la corriente aplicada al tamaño de los electrodos determina la densidad de corriente entregado 3. montajes de electrodo comúnen motor humana estudios de sistemas incluyen (Figura 1): 1) tDCS anódico como la estimulación M1 unilateral con el ánodo posicionado en la M1 de interés y el cátodo posicionado en la frente contralateral; La idea básica de este enfoque es la regulación positiva de la excitabilidad en la M1 de interés 6,13,19 - 22; 2) tDCS anódico como la estimulación bilateral M1 (también conocida como estimulación "bihemisférica" ​​o "dual") con el ánodo posicionado en la M1 de interés y el cátodo colocado en el contralateral M1 5,6,14,23,24; La idea básica de este enfoque es maximizar los beneficios de la estimulación por la regulación positiva de la excitabilidad en la M1 de interés, mientras que la regulación negativa de la excitabilidad en la M1 opuesta (es decir, la modulación de la inhibición interhemisférica entre los dos M1); 3) Para tRNS, sólo la mencionada unilateral estimulación montaje M1 ha sido investigado 4,6; con este montaje excitabilidad efectos de tRNS mejora se ha encontrado para el espectro de frecuencias de 100 a 640 Hz 4. La elección de la estrategia de estimulación cerebral y montaje de electrodos representa un paso crítico para un uso eficiente y fiable de NEBS en entornos clínicos o de investigación. A continuación se describen estos tres procedimientos NEBS en detalle como se utiliza en estudios de sistemas de motor humanos y se discuten aspectos metodológicos y conceptuales. Materiales para tDCS unilaterales o bilaterales y unilaterales tRNS son los mismos (Figura 2).

Figura 1
Figura 1. montajes de electrodos y la dirección actual de las estrategias de NEBS distintos. (A) Para anódico unilateral transcraneal estimulación de corriente directa (tDCS), el ánodo está centrada sobre la corteza motora primaria de interés y el cátodo posicionado sobre tque contralateral área supraorbital. (B) Para la estimulación de la corteza motora bilateral, ánodo y el cátodo están situados cada uno sobre una corteza motora. La posición del ánodo determina la corteza motora de interés para tDCS anódicos. (C) Para la estimulación transcraneal ruido aleatorio unilateral (RRT), un electrodo está situado sobre la corteza motor y el otro electrodo sobre la zona contralateral supra-orbital. El flujo de corriente entre los electrodos se indica mediante la flecha negro. Ánodo (+, rojo), el cátodo (-, azul), corriente alterna (+/-, verde). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Protocol

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Declaración de Ética: Los estudios en humanos requerirá el consentimiento informado por escrito de los participantes antes del ingreso al estudio. Obtener la aprobación del comité de ética relevantes antes de la inscripción de participantes. Hacer estudios de seguros están en conformidad con la Declaración de Helsinki. Los resultados representativos presentados aquí (Figura 4) se basan en un estudio realizado de acuerdo con la Declaración de Helsinki en su versión modificada por la 59ª Asamblea General de la AMM, Seúl, octubre de 2008 y aprobado por el Comité de Ética local de la Universidad de Friburgo. Todos los sujetos dieron su consentimiento informado por escrito antes del ingreso al estudio 6.

1. Presentación de la Seguridad

  1. Pantalla del participante para posibles contraindicaciones para la estimulación cerebral no invasiva 3, por ejemplo., Mediante el uso de cuestionarios 25.

2. Motor de la corteza de localización

  1. Ubicar la corteza motora de la mano del participante por uno de dos dienfoques instinto, por la localización de la representación cerebro del músculo de interés por la estimulación magnética transcraneal (TMS) inducida por MEP, o por la localización de la posición M1 estándar (C3 / C4), basado en el sistema internacional 10/20 EEG con una cinta de medición 26 .
  2. Para la grabación de MEP TMS inducida por pedir al participante que se quite cualquier objeto que pueda ser influenciado por el campo magnético TMS, incluyendo tarjetas de crédito, teléfonos móviles y objetos de metal en general.
  3. Pedir al participante que se siente cómodamente.
  4. Verificar las conexiones entre el amplificador EMG y el equipo utilizado para la configuración y adquisición de señal cuando se utiliza una interfaz de software.
  5. Encienda el amplificador EMG y conectar los cables de electrodos EMG.
  6. la piel limpia del participante frotando suavemente con pasta de preparación de la piel en las regiones de la mano donde se colocarán los electrodos. Retirar el exceso con gasa limpia.
  7. Coloque los electrodos de superficie EMG en un montaje del vientre-tendón en el músculo de la mano deinterés (por ejemplo., M. abductor corto del pulgar de la mano derecha) y conectar un electrodo de tierra (por ejemplo., en el antebrazo). El propósito del estudio determina qué músculo de la mano de su uso.
    Nota: Para electrodos reutilizables es necesario aplicar una pequeña cantidad de pasta conductora sobre la superficie del electrodo antes de conectarlo a la piel del participante.
  8. (Paso opcional) Iniciar el software de grabación para la adquisición MEP si se desea almacenamiento de datos del MEP.
  9. Compruebe los valores de impedancia de EMG. Asegúrese de que la impedancia es <20 kOhm.
  10. Encienda el estimulador magnético y cargar el condensador pulsando el botón correspondiente "carga".
  11. Colocar una bobina de EMT figura en forma de ocho en el cuero cabelludo participante en la fisura interhemisférica y se mueve hacia el área de la corteza motora (en torno a las posiciones C3 / C4 del sistema internacional 10/20 EEG). Mantenga la bobina de EMT en un ángulo de 45 ° -50 o hace referencia a la fissu interhemisféricare 27,28, con el mango orientado hacia atrás, produciendo un flujo de corriente cortical de posterior a anterior 29.
    Nota: Dos bobinas TMS distintos se utilizan para la localización de la corteza motora: la figura en forma de ocho o bobinas circulares. Si es posible, utilice una bobina de la figura en forma de ocho, ya que proporciona la estimulación cerebral focal más 30 y una mayor fiabilidad de las mediciones de la excitabilidad cortical 31.
  12. Cuando el estimulador magnético está cargada (visible en la pantalla), descargue el estimulador pulsando el botón de disparo o al pisar el pedal o automáticamente mediante un programa de software. Este posteriormente entregará un único impulso TMS a través de la bobina de EMT conectada colocado sobre el cuero cabelludo del participante. Por defecto la configuración de impulsos TMS (. Por ejemplo, a 100 mu s de tiempo de ascensión de el tiempo de caída actual y 800 mu s inducida por estímulos monofásicos; tiempos de extinción más cortos para los estímulos bifásica) son específicas para el dispositivo (firmware).
  13. Comience con baja intensidad de la estimulación (por ejemplo., Ajustar la intensidad de la salida 45% con el mando regulador de intensidad de la estimulación en el estimulador) y el reloj para los eurodiputados visibles en el amplificador EMG.
    1. Si hay MEP es visible aumento de la intensidad de la estimulación en el 2-5% pasos hasta que un MEP está claramente presente (por ejemplo., 0,5-1 mV de amplitud). Repita la estimulación pulsando el botón de disparo o la activación del interruptor de pie si la entrega de impulsos no está automatizado. Informar al participante que la estimulación será un poco más fuerte y que los movimientos de las extremidades, tic facial y parpadeos se espera.
      Nota: Establecer un intervalo mínimo de 5 segundos entre pulsos para evitar los efectos de estimulación de baja frecuencia sobre la excitabilidad cerebral.
  14. Mover la bobina de forma radial en pasos de 1 cm alrededor del sitio inicialmente estimulado para encontrar el punto con la mayor respuesta MEP después de la aplicación de impulsos TMS individuales. A partir de ahí, empezar de nuevo moviendo la bobina para asegurarel "punto caliente" (área cortical con la máxima amplitud MEP).
    Nota: El uso de una tapa de cabezal (. Por ejemplo, utilizado para las señales de la red) para el procedimiento de localización no es recomendable ya que el tapón debe ser retirado por la colocación de electrodos NEBS y la posición de punto de acceso se puede perder.
  15. Reducir la intensidad de la estimulación en aproximadamente el 2% El Camino con el mando regulador de intensidad de la estimulación en el estimulador (MEP aún debe estar presente). Esto evitará la inexactitud debido a la estimulación supramaximalidad. Reconfirmar la zona activa moviendo la bobina radialmente en pasos de 1 cm alrededor del punto de acceso y la comprobación de las dimensiones del MEP. El punto de acceso todavía debe corresponder a la mayor y más consistente amplitud MEP.
    Nota: Pedir al participante que contratar voluntariamente el músculo de interés si el punto de acceso es difícil de encontrar (. Por ejemplo, sin MEP presente en altas intensidades de estimulación). Al hacerlo, la intensidad de la estimulación necesaria para obtener MEP se disminuyey puede ser más fácil de identificar puntos de estimulación cortical pertinentes. Si se utiliza este método, pida al participante para relajar el músculo después de encontrar un sitio de estimulación relevante y ajustar la intensidad de la estimulación para que los eurodiputados fiables se pueden encontrar cuando el músculo está en reposo. Proceder a encontrar el punto de acceso.
  16. Marque la posición de punto de acceso y la orientación de la bobina con el marcador de la piel no permanente.
  17. Para la estimulación bilateral M1, repita los pasos 2.11 a 2.16 de la extremidad contralateral.

3. Preparación del electrodo NEBS

  1. Conectar los cables a los electrodos de goma, y ​​colocar los electrodos dentro de las bolsas de esponja. Asegúrese de que el tamaño del electrodo y el tamaño de la bolsa de esponja se correspondan. Los materiales están disponibles comercialmente en tamaños estándar (por ejemplo., 5x5 cm 2, 5x7 cm 2).
  2. Remojar las bolsas de esponja en ambos lados con solución isotónica de NaCl, pero evite el exceso de remojo para evitar puentes de sal o goteos sobre el voluntario.
    1. Este paso es optional: Para evitar fugas de solución de NaCl al utilizar vendajes en lugar de bandas de goma, coloque los electrodos y bolsas de esponja dentro de las tapas de caucho de espuma no conductores.
      Nota: Como alternativa, cubre el electrodo de goma con pasta conductora y colocarlos directamente en la cabeza del participante, es decir, no usar bolsas de esponja o cubiertas de caucho de espuma.

4. Colocación de electrodos NEBS (Figura 1)

  1. Encuentra el cabezal de marcado (s) que indica el punto de acceso cortical motora y separar el pelo alrededor de la zona.
  2. Para mejorar la conductancia limpiar la piel antes de la colocación de electrodos frotando suavemente el área de la piel alrededor de las marcas en la cabeza con un bastoncillo empapado con un 40-50% de alcohol o pasta preparación de la piel. No se rasque la piel! Retire el exceso con una esponja y el área limpia de nuevo con solución isotónica de NaCl. Seque el área después.
    Nota: Asegúrese de que la marca (s) permanecen visibles cabeza; señalar si es necesario. Colocar un electrodo después de la mención de la M1 de interés (contralateral a la mano de interés) de cabeza. Llevar la esponja tanto como sea posible en contacto directo con la piel. Coloque el cable del electrodo hacia la espalda del participante para evitar perturbaciones durante la estimulación y / o ejecución de tareas y para facilitar la conexión al dispositivo NEBS.
    Nota: El pelo por debajo del electrodo debe humedecerse. En caso de humectación excesiva del cabello, usar papel o toallas de mano para absorber el exceso.
    Nota: Para tDCS anódico, el electrodo colocado en el punto de acceso cortical motor de interés (se desea aumento de la excitabilidad) corresponde al ánodo, por lo general conectado al cable rojo. El cátodo (por lo general conectado a un cable de color negro o azul) se coloca en el área supraorbital opuesto o M1 (ver abajo). , La colocación de electrodos convencional es el mismo para tRNS, aunque en el protocolo clásico no hay especificidad de polaridad debido a la Curren alternat flujo. La colocación específica puede ser importante si los ajustes de estimulación incluyen una compensación de estimulación.
  3. Para unilateral lugar estimulación M1 el segundo electrodo (por tDCS anódico: el cátodo) a través de la zona contralateral supraorbital (correspondiente al electrodo FP2 en el sistema internacional 10/20 EEG). Asegúrese de que el cable esté orientada hacia la parte posterior del participante.
  4. Para la estimulación bilateral M1 omita el paso 4.4. Coloque el segundo electrodo (por tDCS anódico: El cátodo) en el M1 opuesta después de la mención ipsilateral a la extremidad utilizada en el estudio de la cabeza. Asegúrese de que el cable esté orientada hacia la parte posterior del participante.
  5. Cubra la cabeza dos veces con una venda elástica circular en la dirección medio-lateral para estabilizar el electrodo M1, a continuación, utilizar el vendaje restante para cubrir la cabeza de forma circular en la dirección antero-posterior para estabilizar ambos electrodos.
  6. Utilice una cinta adhesiva para fijar el extremo de la Bandagmi.
  7. Fije los cables con una cinta adhesiva en el cuello o la camisa del participante.
  8. Conectar los cables de los electrodos al dispositivo NEBS.

Figura 2
Figura 2. Los materiales usados ​​para los protocolos de NEBS. Los materiales convencionales utilizados en los protocolos de estimulación eléctrica del cerebro no invasivas incluyen un dispositivo de NEBS, cables de electrodos, electrodos de goma conductora, bolsas perforadas esponja, cubierta esponja de goma (opcional), y la solución isotónica de NaCl vendajes. Por favor, clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. estimulación

  1. Encienda el dispositivo NEBS.
  2. Ajustar la configuración del dispositivo NEBS con respecto al tipo de estimulación (tDCS o RRT), intensidad (por ejemplo., 1 mA, 1,5 mA o 2 mA), la duración (por ejemplo., 10-40 min), el aumento gradual de arriba y abajo (tiempo entre el inicio de la estimulación y la intensidad máxima, típicamente 8 a 15 sec), y los factores adicionales relacionados con el tipo de estimulación (por ejemplo, el espectro de frecuencia para tRNS).
    Nota: De manera convencional, la estimulación simulada incluye el aumento gradual seguida inmediatamente por una rampa descendente. En consecuencia, el participante tiene la sensación de la estimulación, pero la duración de la estimulación no es suficiente para ejercer efectos duraderos en la función cerebral. Algunos dispositivos NEBS incluyen un modo de estudio que permite el cegamiento de los participantes y el investigador mediante la introducción de un código de tema específico de estudio. El código determina la configuración de estimulación de forma automática. Alternativamente, un segundo experimentador puede establecer la configuración de estimulación en cada sesión y para abarcar la pantalla del experimentador la realización de la estimulación.
  3. Informe al participante acerca de los posibles efectos secundarios asociados con NEBS. Los efectos adversos comunes incluyen picazón en la piel / hormigueo o sensación de ardor de la ONUbajos de la electrodos, dolor de cabeza, malestar y 32. Sensación de ardor puede ser un signo de un mal contacto del electrodo con la piel.
  4. Iniciar la estimulación.
    Nota: la duración estimulación Común dura aproximadamente 10-20 minutos sobre la base de los informes que investigan los cambios en la excitabilidad cortical (véase la sección de resultados representativos). Empíricamente, la duración máxima de estimulación se establece en 40 minutos 3.
  5. Compruebe la continuidad de la estimulación durante la rampa y la estimulación. Si la impedancia es demasiado alta o electrodos están en mal contacto con la piel, la estimulación puede terminar de forma automática.
    Nota: En caso de que la impedancia es demasiado alta o los informes de los participantes cada vez mayores molestias durante la estimulación tratar de disminuir la impedancia acústica mediante, por ejemplo, una mejor fijando los electrodos en los sitios de estimulación o la adición de medio conductor. solución de NaCl puede añadirse mediante el uso de una jeringa directamente en las esponjas después de su colocación on la cabeza.
    Nota: Por razones de seguridad algunos dispositivos informan de la impedancia a lo largo de la estimulación. El dispositivo puede NEBS apagará si la impedancia alcanza un umbral específico (por ejemplo., 55 kOhm).
  6. Si se aplica co-NEBS con la ejecución de una tarea motora, iniciar la prueba / entrenamiento después de la estimulación se intensificó y el participante se siente cómodo con la estimulación. En caso de que el estudio no incluye una tarea motora durante la estimulación, asegúrese de que el participante se sienta y se despierta durante el periodo de estimulación, y espere hasta que la estimulación ha terminado.
  7. Consulte con el participante para los efectos secundarios de la estimulación, por ejemplo., Por la entrega de un cuestionario estandarizado 32 o directamente pedir al participante. En el caso de los estudios que incluyeron varios días de estimulación, tome nota de los posibles efectos secundarios entre los días.
    Nota: Para la evaluación de la eficacia cegadora, pida al participante después de cada estimulación Session adivinar qué tipo de estimulación (sham / condición) el participante se le realizó. Si el experimentador también está cegado, el experimentador también podría señalar su suposición en cuanto al tipo de estimulación del participante. Compare las respuestas con el tipo de estimulación real para verificar tasa de aciertos 33.
  8. Desinfectar electrodos y esponjas con sustancias no peligrosas como el alcohol 40-50%. Enjuague bien con agua después. Deje que se seque antes de guardar los materiales.

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Representative Results

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Para investigar los efectos de NEBS sobre el sistema motor humano, es importante tener en cuenta las medidas de resultado apropiadas. Una de las ventajas del sistema de motor es la accesibilidad de las representaciones corticales de herramientas electrofisiológicos. Motor potenciales evocados se utilizan con frecuencia como un indicador de la excitabilidad cortical motor. Después de la aplicación de 9 o más minutos de tDCS anódico a una densidad de corriente de 29 mA / cm 2, la excitabilidad cortical motor se incrementa por lo menos 30 min en la mayoría de los voluntarios sanos 19,21,22 (véase también la Figura 3). Catódica tDCS sobre todo hace que el opuesto (excitabilidad-decreciente) o ningún efecto 19,22. Sin embargo, como se ha discutido recientemente 22, hay una cierta variabilidad en la dirección de respuesta, con algunos sujetos que muestran la dirección opuesta del efecto para anódica y catódica tDCS. Esto debe ser tenido en cuenta para el cálculo del tamaño muestralen estudios utilizando NEBS. Curiosamente, no se encontraron cambios comparables en la excitabilidad M1 después de tDCS unilaterales y bilaterales 5,23, y la simple función de motor se ha mejorado de manera similar directamente después de cada tipo de estimulación 5. Por lo tanto, está actualmente bajo investigación si baja regulación adicional de la excitabilidad de la contralateral M1 usando el montaje bilateral M1 ejerce beneficios específicos para el comportamiento motor (véase más adelante). Por el contrario, en estado de reposo fMRI indicó claramente diferentes cambios en la red cortical: tDCS bilateral modula la conectividad funcional en el motor primario y secundario y en áreas prefrontales, mientras unilateral tDCS modula la conectividad funcional en prefrontal, parietal y áreas del cerebelo 34.

tRNS ha desarrollado recientemente como una herramienta para modular la excitabilidad cortical 4. Debido a la corriente alterna tRNS se aplica sin especificidad polaridad (siempre que hayano se compensa de la intensidad de la estimulación). Sin embargo, la eficiencia de tRNS parece depender el espectro de ruido aplicado, con las frecuencias altas (100 a 640 Hz) que muestran efectos más robusto que las frecuencias bajas (<100 Hz) 4. Cuando directamente en comparación con tDCS anódico unilaterales, se encontró un aumento similar pero ligeramente más larga duración de la excitabilidad M1 (medida por los cambios de amplitud MEP) después tRNS unilaterales (Figura 3).

figura 3
Figura 3. Tiempo curso de la excitabilidad cortical motora después de diferentes estrategias de NEBS. La amplitud MEP se muestra como una función del tiempo antes y después de 10 minutos de estimulación anódica unilateral transcraneal directa (tDCS) o la estimulación transcraneal de ruido aleatorio (RRT) aplicada a la primaria córtex motor a una densidad de corriente de 29 mA / cm 2 (1 mA / 35 cm 2). Las barras de error INDICATe error estándar. Tenga en cuenta que tRNS ejerce efectos similares sobre la excitabilidad cortical motora comparados con tDCS anódico. MEP amplitud vuelve a los niveles basales después de aproximadamente 50 min para tDCS anódico y después de 90 min para tRNS. De Terney et al. (2008) 4 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de la heterogeneidad de los diseños de los estudios, un concepto común comienza a evolucionar a partir de ensayos de NEBS probar los efectos de tDCS y tRNS sobre la función motora: NEBS influye en el rendimiento del motor o las habilidades cuando se aplica simultáneamente con la formación / pruebas. TDCS anódico y tRNS aplican como estimulación M1 unilateral o tDCS anódico aplicadas como la estimulación bilateral M1 durante el entrenamiento fueron todos demostrado que mejora la secuencia motora aprendizaje implícito 4,35 - 38 en la serie reactien la tarea de tiempo de 39. Del mismo modo, tDCS anódico unilaterales aplicadas durante el entrenamiento motor ha demostrado aumentar la tasa de aprendizaje en un paradigma de aprendizaje motor explícita 40. Sin embargo, los efectos de la estimulación catódica en el aprendizaje motor implícita y explícita parecen ser diferentes: mientras que tDCS catódica durante el entrenamiento no afectaron significativamente secuencia de aprendizaje durante el aprendizaje motor implícita de 35 años, se informó a afectar negativamente a motor explícita para el aprendizaje 40. Las razones de esta discrepancia es preciso seguir investigando.

En investigaciones anteriores se centran en las habilidades motoras más complejas de aprendizaje durante varios días tDCS anódico aplicadas como la estimulación M1 unilateral durante el entrenamiento de habilidades visuomotor mejorado significativamente el aprendizaje 13,20. Habilidad se determinó por los cambios en la precisión de movimiento como una función de la velocidad de movimiento (es decir, la velocidad de precisión-equilibrio). Sorprendentemente, en una comparación directa de montajes de electrodos y tipos de estimulación, tanto unilateral como bilateral M1 tDCS anódico y RRT unilaterales toda la habilidad mejorada de aprendizaje en una palabra visuomotor y carta de rastreo de la tarea 6 (Figura 4A). Con respecto a los mecanismos, es actualmente desconocido si tDCS y tRNS operan por los mismos mecanismos de acción. Sin embargo, la evolución temporal de puntos de habilidad dentro de la sesión difería claramente entre tDCS y tRNS: tDCS unilaterales ejerce efectos importantes sobre las ganancias de habilidad inmediatamente después de la estimulación se inició. Por el contrario, tDCS bilaterales y tRNS mejorado lentamente puntos de habilidad durante las sesiones (Figura 4B). Esta divergencia temporal apunta a interacciones específicas entre el tipo NEBS y el proceso de aprendizaje motor. Esto se debe considerar al elegir tipos de estimulación para futuras investigaciones sobre el sistema motor en sujetos sanos y pacientes con trastornos neurológicos.

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Figura 4. Mejora de las habilidades motoras mediante la formación y el aumento de las diferentes estrategias de NEBS. Los cambios (A) en la habilidad de motor durante tres días de entrenamiento motor por cada grupo de estimulación. Habilidad aumenta significativamente con el tiempo en el grupo de control de estimulación simulada y se aumenta aún más por cada estrategia NEBS. Plot (B) de la dispersión de los subcomponentes del aprendizaje motor. Todos los grupos de estimulación presentan significativamente mayor aprendizaje global del motor en comparación con el grupo control la estimulación simulada. Sólo unilateral estimulación anódica transcraneal de corriente directa (tDCS) revela mayores efectos inmediatos sobre el aprendizaje motor - es decir., Cambios iniciales en la habilidad después del inicio de la estimulación, en comparación con el control simulado y la estimulación transcraneal de ruido aleatorio (RRT). DC: M1-SO = tDCS unilaterales. DC: M1-M1 = tDCS bilaterales. RN: M1-SO = tRNS unilaterales. * P <0,05, ** p <0,01. Las barras de error = error estándar de la media. De Prichard et al. (2014) 6 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

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Este protocolo describe materiales típicos y pasos de procedimiento para la modulación de la función motora de la mano y la habilidad de aprendizaje utilizando NEBS, específicamente la estimulación unilateral y bilateral M1 para tDCS anódico y tRNS unilaterales. Antes de elegir un protocolo NEBS particular para un estudio sobre el sistema motor humano, por ejemplo., En el contexto del aprendizaje motor, los aspectos metodológicos (seguridad, tolerabilidad, el cegamiento), así como los aspectos conceptuales (montaje o tipo de corriente efectos específicos en una región particular del cerebro) necesitar ser tenido en cuenta. Ventajas y limitaciones de las tres estrategias se presentan en la Tabla 1.

tipo de NEBS Ventaja Limitación
Común a tDCS anódico y tRNS A salvo
Barato
Fácil de administrar
efecto sobre Cortica sobreviviendol excitabilidad (hasta 90 min)
La mejora de la función motora y las habilidades motoras de aprendizaje en sujetos sanos y pacientes con déficits motores
focalidad funcional se alcanza por la combinación de NEBS con una tarea particular
Estructural focalidad estimulación está limitada y definida por el tamaño del electrodo y el montaje
electrodos más grandes pueden estimular áreas corticales adyacentes a la M1 de interés
M1 estimulación unilateral
(tDCS)
Polaridad especificidad (dirección del cambio en la excitabilidad M1 de interés puede ser elegido) Recepción de electrodo (cátodo) es un electrodo activo y puede ejercer un efecto de confusión en el área cerebral subyacente
Participantes Difícil cegamiento a intensidades de estimulación más altas (densidad de corriente> 40 mA / cm 2, por ejemplo.,> 1 mA / 25 cm 2)
M1 estimulación bilateral
Polaridad especificidad (dirección del cambio en la excitabilidad M1 de interés puede ser elegido)
modulación pronunciada de conexión interhemisférica, además de aumento de la excitabilidad de la M1 de interés (el efecto deseado en la M1 opuesta a menor)
Participantes Difícil cegamiento a intensidades de estimulación más altas (densidad de corriente> 40 mA / cm 2, por ejemplo.,> 1 mA / 25 cm 2)
Mayor riesgo de derivación de la corriente debido a la proximidad de los electrodos
M1 estimulación unilateral
(RRT)
menos efectos secundarios
Mejora el cegamiento de los participantes
Sin polaridad especificidad
Efectos sobre la excitabilidad y la conducta motora son más robustos en el espectro de frecuencia alta (100-640 Hz)

NEBS, estimulación eléctrica cerebral no invasiva; M1, corteza motora primaria; tDCS, s transcraneal de corriente directatimulation; tRNS, estimulación transcraneal ruido aleatorio

Tabla 1: Ventajas y limitaciones de tDCS y tRNS.

Desde un punto de vista metodológico sujetos siempre debe ser examinado a fondo durante contraindicaciones para NEBS 3,41 por medio de cuestionarios o entrevistas estandarizadas (por ejemplo., La quilla y col., 2001 25). Estos no difieren entre tDCS y tRNS. Las contraindicaciones absolutas NEBS incluyen: 1) la deformación del cráneo, por ejemplo, debido a la fractura, ya que puede influir en el flujo de corriente y promover efectos secundarios inesperados;. 2) implantados dispositivos médicos, por ejemplo, el implante coclear y el cerebro estimulador, como NEBS puede influir negativamente en el funcionamiento de dispositivos médicos. Para el uso de TMS (por ejemplo., Para la localización corteza motora (véase el protocolo paso 2)) objetos ferromagnéticos en la zona de la cabeza / cuello, (por ejemplo., Metralla, clips quirúrgicos) también representan una contraindicación absoluta, como aquellos objetos se salga del camino por el campo magnético y suponen un riesgo para el participante. criterios de exclusión adicionales son opcionales y dependen de los objetivos del estudio. contraindicaciones adicionales comunes incluyen: 1) edad superior a 85 años de edad; 2) el embarazo; 3) antecedentes de trastornos crónicos de la piel (sobre todo con respecto a la cabeza); 4) efectos adversos a los protocolos de estimulación cerebral anteriores; 5) historia de dolor de cabeza frecuentes o severos, por ejemplo, la migraña.; 6) antecedentes de convulsiones epilépticas; y 7) del marcapasos. Para los participantes con marcapasos una distancia de seguridad mínima de 10 cm debe mantenerse entre el sitio de estimulación y el marcapasos para evitar la interferencia con su funcionamiento.

Los sujetos no deben estimularse si se da alguna de las contraindicaciones absolutas. Por razones de seguridad el dispositivo NEBS debe tener el máximo rendimiento en el rango mA, debe ser accionado por batería y no debe ser usado mientras el cargador está conectado a la toma de corriente eléctrica. Cuando se aplica de acuerdo al protocolo, y tDCS tRNS son por lo general bien tolerated 32. Los efectos secundarios de la estimulación pueden incluir picazón, sensación de hormigueo, dolor de cabeza y sobreviviendo a la duración estimulación o desencadenar ataques de migraña. Sin embargo, a partir de estimados 16.000 sesiones tDCS (incluyendo múltiples sesiones secuenciales) no tDCS graves se informaron efectos secundarios (Bikson M., comunicación personal, 2015; meta-análisis en preparación). Los efectos secundarios pueden minimizarse mediante la preparación del electrodo de estimulación y la colocación cuidadosa. Esto incluye: 1. inspección de la piel de las lesiones, 2. La aplicación de la estimulación a través de un medio conductor como electrodos de goma cubiertos con pasta conductora o con esponjas empapadas con solución salina, 3. Aumento gradual y desvanecimiento de la estimulación (una mayor duración de la rampa y rampa descendente (por ejemplo., 15 seg) se asocia con menos efectos secundarios), y 4. el control de impedancia. Los participantes generalmente se habitúan a las sensaciones de la piel debajo de los electrodos poco después de que el aumento gradual de la estimulación. Con tRNS en la mayoría de los casos las sensaciones de la piel son menos o nada todo percibida en comparación con tDCS (en consecuencia, tasas similares de condición correcta suposición de farsa y tRNS en comparación con las tasas más altas de la condición correcta conjetura con tDCS) 6. Esto puede ser ventajoso para los estudios en los que el cegamiento óptimo de participantes es crucial. Sin embargo, en la mayoría de los estudios los participantes fueron cegados con éxito entre tDCS real y la falsa, al menos, con una baja de intensidades de estimulación media 32,42. Esto es probablemente debido a la aplicación de un corto rampa arriba y hacia abajo durante varios segundos en el modo simulado, que causa la sensación de hormigueo 42 pero parece que no altera la función cortical 2. El uso de un modo de simulacro "activa" que provoca la sensación de hormigueo y automáticamente se apaga la estimulación después de algunos segundos puede ser un método superior para el cegamiento tanto participante e investigador en comparación con la simple colocación de los electrodos en la cabeza del participante y no poner en marcha el dispositivo de NEBS .

t "> Para la comparabilidad de las publicaciones indican la densidad de corriente, el tamaño del electrodo (es decir., área de destino), la colocación de electrodos, sustrato conductor entre el electrodo y la piel, la duración de la rampa hacia arriba y abajo, la duración de estimulación y los efectos secundarios. Cabe señalar que la declaración de la intensidad de la estimulación por sí sola no es suficiente para estimar la densidad de corriente entregada al participante. para el cálculo de la densidad de corriente dividir la intensidad de la estimulación (por ejemplo., 1 mA, 1,5 mA, 2 mA) por el área estimulada. por ejemplo, si la intensidad de la estimulación es 1 mA y el tamaño del electrodo es de 16 cm 2, la densidad de corriente estimado es 0,0625 mA / cm2 (es decir., 1 mA / cm2 o 16 62,5 mA / cm 2).

Desde un punto de vista conceptual, varias áreas corticales del sistema motor son accesibles por NEBS, ya sea directamente si el área está cerca de la superficie cortical o por medio de efectos de red remotas 43,44 26. Uso de la última técnica en un participante sano es más rápido y más fácil en comparación con el uso eurodiputados TMS inducida, pero TMS ofrece una precisión superior para localizar la representación cortical motor individual de interés. Si bien la necesidad de o el beneficio funcional a partir de un punto de acceso utilizando TMS en comparación con el sistema de 10/20 es aún no probado, eurodiputados TMS inducida demuestran integridad funcional de M1 y el tracto piramidal. Para los pacientes con lesión cerebral (por ejemplo, derrame cerebral) eurodiputados TMS inducida por tanto, es preferentemente usado para localizar la representación cortical del motor, ya que puede ser en gran medida cambió debido al tamaño de la lesión y la ubicación, y las áreas del motor secundario puede generar la salida del motor.

NEBS tamaño del electrodo o montaje pueden afectar áreas corticales adyacentes a la región de interés, lo que resulta en focalidad limitado de la estimulación en sí 46,47. Sin embargo, la focalidad funcional obtenida mediante la activación específica tarea de particulares sinapsis 11 o redes que se ve aumentada por la combinación de tarea / entrenamiento con estimulación podría ser más decisivo 46: por un lado, los estudios de imagen funcional revelaron diferentes cambios en la red después unilateral versus bilateral M1 tDCS, o tDCS frente tRNS, respectivamente 14,15. . Por otro lado, el efecto neto de tDCS anódico y tRNS en el comportamiento motor, por ejemplo, el aprendizaje, parece ser similar: Basado en las pocas investigaciones con comparaciones directas de tipo de estimulación / montaje, se podría argumentar a favor de los efectos positivos sobre la función motora siempre y cuando M1 contralateral al lado probado es el blanco de NEBS(en caso de tDCS con la estimulación anódica 4-6).

La mayoría de los efectos en el comportamiento robustos se encuentran por lo general cuando la estimulación y la tarea de ejecución o de formación se realizan simultáneamente 13. Se han reportado resultados inconsistentes para NEBS y tareas aplicado consecutivamente 1. Otros montajes de electrodos como tDCS de alta definición recientemente desarrollados pueden aumentar la estimulación focalidad 48,49 pero requieren investigaciones futuras sobre las consecuencias del comportamiento. Los estudios controlados que evaluaron los efectos sobre el accidente cerebrovascular RRT rehabilitación motora y el aprendizaje, así como los estudios comparativos de las estrategias de NEBS en distintas poblaciones de pacientes son en gran parte que falta. Futuros estudios con NEBS del sistema motor humano son necesarios para una mejor comprensión de las promesas y peligros de NEBS en aplicaciones clínicas.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

MC y JR son apoyados por la Fundación Alemana de Investigación (DFG 2740 RE / 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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No invasiva de estimulación cerebral eléctrica Montajes para la modulación de la función motora humana
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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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