Summary
経頭蓋交流電流刺激 (tACS) 周波数特異的皮質興奮性の調節ができます。ここで単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) による運動誘発電位皮質興奮性を「プローブ」するためにオンライン tACS を組み合わせたユニークなアプローチを紹介します。
Abstract
経頭蓋交流電流刺激 (tACS) は、特定の周波数の正弦波の電気波形を行動し、ターンでは継続的な皮質振動活動を調節することができる引き起こされる手法です。この neurotool は、内因性の振動活動と行動の因果の設立を許可します。TACS 研究のほとんどは、tACS のオンラインの効果を示しています。ただし、脳波 (EEG) 信号の AC によるアーチファクトのためこのテクニックの基になる作用機序について少し知られています。皮質興奮性の変化をプローブする単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) による一次運動野 (M1) tACS のオンライン生理的特定周波数を調査するためのユニークなアプローチを紹介します。我々 のセットアップで運動誘発電位 (Mep) が収集され、現在進行中の M1 tACS の効果をテストしながら、TMS コイルは tACS 電極上に配置します。これまでのところ、この方法は視覚と運動のシステムを研究する主に使用されています。しかし、現在の tACS TMS セットアップは、認知機能の将来の調査のための道を開くことができます。したがって、手順のステップバイ ステップのマニュアルとビデオのガイドラインを提供します。
Introduction
経頭蓋電気刺激 (tES) は、異なる電流波形1神経状態の変更を可能にする引き起こされる手法です。TES の異なる種類の間で頭蓋交流電流刺激 (tACS) により、特定の周波数範囲における正弦波の外部振動電位の配信と知覚的、生理学的な神経活動の変調運動・認知プロセス2。TACS を使用して、それは律動的内因性神経活動と脳のプロセスとの間の潜在的な因果関係を調査することが可能です。
生体内神経活動をスパイクが電気的応用分野3によるニューロンの興奮を連行することができることを示唆している別の駆動周波数で同期されているが示されています。動物モデルにおける弱い正弦波 tACS ヘアレス広範な皮質神経細胞プール4の放電周波数です。人間、tACS オンライン脳波 (EEG) との組み合わせでは、周波数特異的5脳の振動との相互作用によって律動的内因性神経活動に及ぼす影響いわゆる「同調」の誘導をことができます。ただし、tACS を組み合わせてオンライン メカニズムの理解を深めるための神経画像診断法はまだ疑問 AC 誘導の成果物6」のため。さらに、疑わしいソリューション7であるリング状の電極を使用せず誘導目標エリアに重ねる脳波信号を直接記録不可能します。したがって、このトピックに関する体系的な研究の欠如があります。
今のところ、刺激中止後は tACS の永続的な影響についての明確な証拠はありません。のみいくつかの研究は、運動系8に tACS の弱いで不明瞭な後遺を示しています。また、脳波の証拠はまだ tACS9の後の効果については明らかではないです。その一方で、ほとんどの tACS 研究示した顕著なオンライン効果10、11,12,13,14,15,16,17,18、技術的な制約のために生理学的なレベルで測定することは困難であります。したがって、本手法の全体的な目標は単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) を提供することにより大脳皮質 (M1) tACS のオンラインと周波数依存効果をテストするための代替方法を提供します。TMS では、「プローブ」19大脳皮質の生理学的状態の研究者をことができます。さらに、被写体の反対側の手の運動誘発電位 (MEP) を記録することによって、継続的な tACS11の効果を調べることができます。このアプローチにより、こと正確にモニター変更皮質脊髄路の興奮性のアーチファクトのないファッションに異なる周波数でオンライン電気刺激中に MEP の振幅値を測定することによって。さらに、このアプローチは、tES の他の波形のオンラインの効果もテストできます。
複合 tACS TMS の効果を示すためには、我々 が表示されますプロトコル一次運動野 (M1) 以上 20 Hz AC 刺激を適用することによってオンライン neuronavigated 単発 TMS が配信される 3 から 5 のランダムな間隔で散在しながら M1 をテストするために s皮質興奮性。
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Protocol
すべてのプロシージャがすべての参加者からの同意を得てより高い経済学 (HSE)、モスクワ、ローカル研究倫理委員会が承認した
。注: 参加者の注入・ メタル ・ デバイス、神経や精神疾患、薬物乱用やアルコール依存症の歴史を報告しなければなりません。TMS は、最も最近の安全のガイドライン 20 に従って使用されます。被験者は、実験を開始する前に研究と同意書のサインの性質を完全に知らされなければなりません。支配的な M1 の刺激によってオンライン結合 tACS TMS プロトコルを実行する必要な装置の全体のセットを示す ( 図 1。材料のテーブル).
1 バイポーラ腹腱モンタージュ場所筋電図 (EMG) 電極
- (10 k ω) の下の低い皮膚インピー ダンスを達成するためにすべての電極の下清掃スクラブを使用して肌をきれいします。 。
- 骨に最初背側骨間 (FDI) 筋のアクティブ EMG 電極、参照電極を配置 2 cm 遠位と近位より、腕に接地電極
2。刺激プロトコルのターゲットを識別する
注: ここで、フレームレスの TMS ナビは TMS コイルの適切な位置を達成するために使用します
。- トラッキング センサーを眉間眉の間、参加者の鼻の上に置きます 。
- は、ナビゲーション システム ソフトウェアを開きます。個々 の参加者を使用して ' T1 磁気共鳴イメージ投射 (MRI) データ構造と参加者の共同登録を実行 ' ナビゲーション システムを介して 3 D MRI 頭および s 。
- 正確には、主モーター手エリア上コイルを配置、いわゆる " モーター ノブ " 地域 ( 図 2).
- 単一パルス TM の適用を開始し、MEPs; をテストTMS は、刺激によって配信標準 8の字の 75 mm コイルに接続されている (表の資料 を参照してください)。ローカライズするのには、" ホット スポット " 左の M1 のコイル、頭皮に接線ハンドルで保持、ポインティング後方と横方向に, 参加者の正中矢状軸から 45 ° の角度 ' s 頭 。
- (すなわち、 しきい値に達したことを対側から引き出す Mep 検討手の筋頭皮ポイント) のホット スポットが見つかったら、tACS ターゲット電極の適用を容易に鉛筆でマークすること 。
3 tACS 電極作製
- 接続 2 表面の生理食塩水に浸したスポンジ電極 (サイズ: 5 × 7 cm) 刺激デバイスに交流電流 (例えば、 Brainstim) を生成することができます。 。
- 、皮膚感覚を最小限にするために常に下全体刺激セッション全体で 10 k ω のインピー ダンスを保つために食塩水を電極を飽和します 。
4 プロトコル設定を tACS
- 刺激装置を用いた tACS プロトコルを設定するには、バッテリ ステータスを確認最初します。 。
- ソフトウェアを使用して、新しいセッションを開き、新しい刺激プロトコルを管理します。
- プロトコルの名前 (例えば、 " のベータ版 ").
- 刺激の頻度を設定する (例えば、 20 Hz).
- (例えば、 正弦波) の波形」を選択します 。
- 刺激プロトコル (例えば 600 秒) の合計時間を設定します 。
- 最後に、刺激 (例えば 1 mA) の強度を設定、オフセットを設定、フェードイン、フェードアウトと相 " 0 ".
注: 少しタイミング刺激をフェードイン/フェードアウトを (約 30 s) 主題のため副作用や不快感の麻痺効果を避けるために、示唆できます 。
- デバイスをアクティブにする ' s " Bluetooth " 機能し、刺激するソフトウェアからプロトコルをアップロードします 。
5。 tACS 電極モンタージュ
- 場所、" ターゲット " マークされたポイントに対応する頭皮上電極。場所、" 参照 " の特定の粘着テープを使用して同側の肩の上の電極、" 単極モンタージュ " 21 です 。
- は、神経ナビゲーション ヘッド センサー位置に関して頭の最初の弾性ストラップを慎重に調整します。次に、2 番目のストラップを使用して、ターゲット電極位置を修正します 。
- TACS 電極が配置されるは、頭皮と同側の肩の両方、刺激に接続します 。
- 前に刺激セッションの開始を確認目視によるターゲット電極の位置はマークされているホット スポットの中央に、 。
6。休んでモーターしきい値 (RMT) を識別する
- TMS ターゲット tACS 電極コイルと神経ナビゲーション システムを使用して ( 図 3) ホット スポット上コイルの位置を慎重に調整します 。
- 測定 RMT それに応じて結合 tACS TMS セットアップ (すなわち 電極上の TMS コイル)。具体的には、信頼性の高い RMT をチェックするために tACS 電極厚みに対する TMS の明るさを調整します。
- RMT を個別に測定、50 の振幅を持つ投資筋の MEP を誘発するために必要な最低の強度として定義されている 10 のうち 5 試験 22 mV (ピーク).
- 実験的セッションを開始するために、RMT の 110% で TMS 刺激の強度を設定します
7 実験
- EMG ソフトウェアを開き、筋電図の記録を開始します。 。
- TACS 刺激を開始します 。
- 刺激中 3 から 5 秒のランダムな間隔で点在している TMS 単一パルスを提供します 。
- ように、刺激 (例えば、 20 Hz tACS はシャム/別の制御周波数が続くを刺激する) の各セッション持続間セッション間隔 90 秒以上約 3 分の可能な持ち越し効果を回避するために、刺激周波数/条件 11 , 13 の前します 。
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Representative Results
TACS/TMS 組み合わせたアプローチの最初の証拠は、2010 年に金井らによって示されました。その研究では、著者は一次視覚野 (V1) にわたって tACS を適用し、オンライン TMS による眼内閃光知覚15を用いて視覚皮質興奮性の特定周波数の変調を示した。プロトコルのより洗練されたバージョンは、2011 年に Feurraらによって大脳皮質運動野興奮性の生理学的な変調を調査するため採択されました。そう、これらの著者は、単一パルス TM 中に Mep を記録継続 tACS でした (図 4) を配信中。制御周波数、コントロール サイト (頭頂部刺激) のためのコントロールに対する皮質の出力を高めることによって M1 のアイドリング ベータ リズムの内因性の 20 Hz 刺激の可能な同調の最初の因果の証拠を報告(尺骨神経実験)11 (図 5) を試してみてください。
次の研究では、Feurra との共同研究は、tACS の効果が周波数だけでなく、状態依存した13示した。同じはモンタージュを組み合わせて使用して、tACS が加わった 2 つの異なる条件下で M1: 休息と運動イメージ (被験者ピンチにグリップの動きを想像する)。以前の調査結果11に沿ってのみベータ刺激 (20 Hz) はシータ (5 Hz)、アルファ (10 Hz) 刺激中に促進効果が顕著な運動イメージ タスク中に安静では、一次運動野の興奮性を強化しました。これは tACS で最初の生理学的状態依存効果の証拠を表します。
この組み合わせに接近されているまでに、大脳皮質運動野 (表 1) の機能をさらに研究するために使用します。ゲラと協力者の刺激に反応する特定の介在ニューロン回路を表示する同様のアプローチを使用して応用 tACS TM モーター周波数 (20 Hz) と非モーター共振周波数 (7 Hz) で配信されます。彼らは 20 Hz の刺激が刺激の位相に関係なくコリン作動性短潜時の求心性阻害 (SAI) の効果を廃止したことを示した。興味深いことに、グルタミン酸作動性の皮質内の円滑化 (ICF) と GABAAergic 短い間隔皮質内抑制 (SICI) の変化は、フェーズに固有23だった。
図 1:同時 tACS 刺激のための必要な資料のリストです。食塩、制御装置、伸縮ストラップ、スポンジ (tACS)、tACS ケーブル電線・電極、注射器、粘着テープ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: TACS TMS プロトコル間ニューロナビゲーション。赤十字は、記憶 TMS 一次運動野のホット スポットを示しています。重複する白い十字は、オンライン中の位置 TMS コイルのプロトコル、正しい方向の印としてを示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 主題の頭皮に tACS TMS 。TMS コイルは、ターゲット tACS 電極上に配置する必要があります。捜査官はホット スポットのニューロナビゲーション座標に従ってコイルの位置を維持する必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4:オンライン tACS TMS アプローチによる実験的なデザインの概略図。(、) 赤 (「ターゲット」) の電極は、左の大脳皮質、右頭頂葉 (10-20 国際脳波システムの P4 の位置) を覆う頭皮に配置されます。青 (「参照」) 電極は PZ に対応する正中線に配置されます (10-20 国際脳波システム) 位置 (バイポーラ/頭部モンタージュ)。注記のうち、現在の提案の参照電極 (モノポーラ モンタージュ)、同側の肩に配置は P4 はコントロール サイトとして使用されます。(b) Neuronavigated TM: 左の M1 に置かれるスポンジ電極上コイルを開催。色の三角形を示す (この図は、Feurra et al., 2011 から変更されている) 2 mm の許容差で正確なターゲットからコイル変位のオンライン フィードバック11。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 代表結果。(を) 平均対数変換 MEP 振幅 (誤差は、標準エラー出力を示す) 異なる実験条件で得られた値 (生データ)。TACS のみの運動皮質にベータ範囲 (20 Hz) で配信 (ベースライン、5 Hz、10 Hz、40 Hz と 20 Hz の頭頂連合野の) 他のすべての条件と皮質の出力が増加します。アスタリスク (*) では、他のすべての条件の 20 Hz の刺激の差を示します。(b) 割合が変化する (この図は、Feurra et al., 2011 から変更されている) 生の MEP 振幅値のベースライン対11。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| 著者 | タスク | 周波数 | 強度 |
表 1: さまざまな条件を介して一次運動皮質に及ぼす影響 tACS 。周波数、強度、刺激および結果の皮質のサイト。
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Discussion
この方法は、直接 Mep が記録を通して皮質の出力を測定することにより一次運動野の tACS のオンラインの効果をテストするためのユニークな機会を表しています。ただし、tACS 電極上 TMS コイルの配置は、正確に実行する必要があります重要なステップを表します。したがって、実験者単一パルス TMS によるターゲット ポイントを見つける頭皮にマークし、ホット スポット上 tACS 電極の場所それの後やっと我々 まずお勧めしたいです。また、ニューロナビゲーション システムの可用性は重大単発 TMS の最適なターゲット ポイントのローカライズをサポートします。手順を開始する前に、参加者に tES24と TMS20のための禁忌がないことを確認します。
さらに、TMS コイルの下 tACS 電極の位置や厚みは、標準的な手順に関して異なる RMT に可能性があります。したがって、TMS コイルは既に tACS 電極上に置かれたときに RMT を測定することが重要です。
TMS tACS オンライン方法は、基礎研究と臨床応用のための技術の進歩を表しています。TACS 証拠のほとんど中、刺激の停止後ではなく、効果が顕著で、この方法でオンライン有益な特定周波数に及ぼす患者運動ニューロン病、本態性振戦などのテストに役立ちますがあります。ジストニア、パーキンソン病、および他のモーターの病気。
これまでのところ、モーターを検討するためにこの手法、視覚野は11,15を処理します。ただし、tACS 自体は記憶、意思決定などの認知機能を高めるために信頼性の高い手法を示した14,16,25,26,27を作るします。将来は、いわゆる"neuroenhancement"のメカニズム解明のため tACS と共にさまざまな皮質領域をターゲットと異なる周波数を操作で反復的な TMS (rTMS) の組み合わせの可能性が役立つことがあります。同様に、それは既に cTBS が適用されたときにのみ、連続シータ バースト刺激 (cTBS) などのパターン化された TMS プロトコルで tACS の組み合わせが強化された塑性効果の結果を示された tACS による活性化のピークとの相28します。 さらに、rTMS を臨床ツールとして使用するのに対し tACS との組み合わせが新しい臨床ニューロリハビリテーション手法の開発につながる可能性が。
この記事は M1 の刺激に焦点を当てて、他の皮質領域はこの手法を使用してにターゲットかもしれない。ただし、人間のモーター系の刺激だけが測定可能な運動誘発電位 (Mep) 皮質脊髄レベルの降順のシリーズから複合信号を表す側の周辺部の筋肉から記録につながる可能性があります。別の発電機29。その一方で、他の電極配置単一パルス TM と共に左右の M1 以上併用両側 tACS を使用して、オンラインの南北両半球の効果を調査する別の機会があります。さらに、計測反応時間 (RT) と精度によって、行動タスク中に異なる皮質領域を対象とするオンライン tACS TMS アプローチを使用可能性があります。一方、tACS TMS アプローチは人間の運動機能の調査のアーチファクトのない方法論を提供していますその一方で、tACS 脳波アプローチは様々 な領野ですがまだ信号録音内の成果物の数をターゲットに異なった認知過程の神経機構の研究のためのより多くの可能性をあります。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この調査はロシア科学財団によってサポートされた付与 (契約番号: 17-11-01273)。アンドレイ Afanasov とビデオ録画およびビデオ編集用の多機能テレビ テクニクス (ロシア連邦国立研究大学より高い経済学モスクワ) イノベーション センターから同僚に感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BrainStim, high-resolution transcranial stimulator | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-BRAINSTIM | |
| Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodes | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-CVBS15 | |
| Reusable conductive silicone electrodes 50x50mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG970/2 | |
| Reusable spontex sponge for electrode 50x100mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG916S | |
| Rubber belts – 75 cm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-ER-PG905/8 | |
| Plastic non traumatic button | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG905/99 | |
| Brainstim | E.M.S., Bologna, Italy | ||
| MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulator | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0731 | |
| 8-shaped coil MC-B65-HO-2 | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0462 | |
| Chair with neckrest | MagVenture, Farum, Denmark | 9016B0081 | |
| Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium edition | Localite, GmbH, Germany | 21223 | |
| Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi) | Localite, GmbH, Germany | 10226 | |
| MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1 | Localite, GmbH, Germany | 5221 | |
| Electrode wires for surface EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| Surface Electrodes for EEG/EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| BrainAmp ExG amplifier - bipolar amplifier | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| BrainVision Recorder 1.21.0004 | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Company, USA | ||
| Syringes | |||
| Sticky tape | |||
| NaCl solution |
References
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