Summary
La Stimulation transcrânienne courant alternatif (TAC) permet la modulation de l’excitabilité corticale dans un mode de fréquence spécifique. Nous montrons ici une approche unique qui combine TAC en ligne avec la seule impulsion de Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) afin de « sonder » excitabilité corticale au moyen du moteur des potentiels évoqués.
Abstract
La Stimulation transcrânienne courant alternatif (TAC) est une technique de neuromodulatrices capable d’agir par l’intermédiaire de signaux électriques sinusoïdales dans une fréquence spécifique et à son tour modulent l’activité corticale oscillatoire en cours. Cette neurotool permet la mise en place d’un lien de causalité entre l’activité oscillatoire endogène et de comportement. La plupart des études TAC ont montré des effets en ligne des TAC. Cependant, on connaît les mécanismes d’action sous-jacente de cette technique en raison des artefacts sur les signaux de l’électroencéphalographie (EEG) induite par l’AC. Nous montrons ici une approche unique pour étudier les effets physiologiques en ligne de fréquence spécifique des TAC du cortex moteur primaire (M1) en utilisant la seule impulsion de Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) pour détecter les modifications de l’excitabilité corticale. Dans notre configuration, la bobine TMS est placée sur l’électrode de TAC en moteur potentiels évoqués (les députés) sont recueillis pour tester les effets de la M1-TAC en cours. Jusqu’ici, cette approche a principalement été utilisée pour étudier des systèmes visuels et moteurs. Toutefois, la configuration actuelle de TAC-TMS peut ouvrir la voie à de nouvelles études des fonctions cognitives. Par conséquent, nous fournissons un guide étape par étape et vidéo lignes directrices pour la procédure.
Introduction
La Stimulation transcrânienne électrique (tES) est une technique de neuromodulatrices qui permet la modification des États neurones à travers différentes formes d’ondes en cours1. Parmi les différents types de tES, transcrânienne Stimulation de courant alternatif (TAC) permet la livraison de sinusoïdales potentiels oscillatoires externes dans une gamme de fréquences spécifiques et la modulation de l’activité neurale physiologique sous-jacentes perceptuelle, 2de processus moteurs et cognitifs. À l’aide de TAC, il est possible d’enquêter sur d’éventuels liens de causalité entre l’activité oscillatoire endogène et processus cérébraux.
In vivo, il a été démontré que l’activité neurale de fortification est synchronisé à des fréquences différentes de conduite, suggérant que tir neuronale peut être entraîné par champs électriques appliqués3. Dans des modèles animaux, TAC sinusoïdale faible entraîne la fréquence déchargée du pool neuronale corticale généralisée4. Chez l’homme, TAC combiné avec en ligne l’électroencéphalographie (EEG) permet l’induction de l’effet dit de « Entraînement » sur l’activité oscillatoire endogène en interagissant avec les oscillations de cerveau dans une manière spécifique fréquence5. Cependant, combinant TAC avec des méthodes de neuro-imagerie pour une meilleure compréhension des mécanismes en ligne est toujours sujette à caution en raison des artefacts induite par l’AC6. En outre, il n’est pas possible d’enregistrer directement le signal EEG sur la zone stimulée cible sans utiliser une électrode annulaires qui est une solution douteuse7. Ainsi, il y a un manque d’études systématiques sur ce sujet.
Jusqu'à présent, il n’y a aucune preuve claire sur les effets durables des TAC après l’arrêt de la stimulation. Seules quelques études ont montré des séquelles faibles et incertaine des TAC sur le système moteur8. Preuve de l’EEG est d’ailleurs toujours pas clair sur les séquelles du TAC9. En revanche, la plupart des études de TAC a montré des effets en ligne10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, qui sont difficiles à mesurer au niveau physiologique, en raison de contraintes techniques. Ainsi, l’objectif global de notre méthode est de fournir une autre approche pour tester les effets en ligne et dépendant de la fréquence des TAC sur le cortex moteur (M1) en livrant la seule impulsion de Stimulation magnétique transcrânienne (TMS). TMS permet aux chercheurs de « sonder » l’état physiologique du cortex moteur humain19. Par ailleurs, en enregistrant les potentiels évoqués-moteur (MEP) sur main controlatérale du sujet, nous puissions enquêter sur les effets de la TAC en cours11. Cette approche nous permet avec précision surveiller les changements excitabilité corticospinaux en mesurant l’amplitude MEP durant une stimulation électrique en ligne envoyée à des fréquences différentes d’une manière sans artefact. En outre, cette approche peut également tester les effets en ligne de toute autre forme d’onde de tES.
Afin de démontrer les effets combinés des TAC-TMS, nous montrerons le protocole en appliquant une stimulation à 20 Hz AC sur le cortex moteur primaire (M1) tout en neuronavigated en ligne seule impulsion TMS est livré entrecoupée par des intervalles aléatoires de 3 à 5 s pour tester M1 excitabilité corticale.
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Protocol
toutes les procédures ont été approuvées par le Comité d’éthique de recherche locaux de l’école supérieure d’économie (HSE), Moscou, avec le consentement de tous les participants.
Remarque : les Participants ne doivent déclarer aucun antécédent de dispositifs métalliques implantés, de maladies neurologiques ou psychiatriques, de toxicomanie ou d’alcoolisme. TMS est utilisé selon le plus récent de directives sécurité 20. Sujets doivent être pleinement informés de la nature de la recherche et signe un formulaire de consentement éclairé avant de commencer l’expérience. Nous montrons un ensemble des équipements nécessaires à l’exécution du protocole en ligne-combinés TAC-TMS par la stimulation de la M1 dominante ( Figure 1 ; Table des matières).
1. Place électromyographie (EMG) électrodes dans un Montage de ventre-tendon bipolaire
- nettoyer la peau en utilisant un gommage nettoyage sous toutes les électrodes pour atteindre l’impédance de la peau faible (inférieure à 10 kOhm).
- Placer l’électrode EMG active sur la première dorsal muscle interosseux (IED), électrode de référence sur l’OS 2 cm dans la partie distale et l’électrode de terre plus proximale sur l’ARM.
2. Identifier la cible du protocole de Stimulation
Remarque : ici, nous utilisons le système de navigation de TMS sans cadre pour atteindre un positionnement correct de la bobine TMS.
- Placer les capteurs de suivi sur la glabelle entre les sourcils et le nez du participant.
- Ouvrir le logiciel de système de navigation. Utiliser des participants individuels ' données structurales de T1 imagerie par résonance magnétique (IRM) et effectuez un enregistrement Co du participant ' s la tête et une tête de MRI 3D via le système de navigation.
- Avec précision, placer la bobine sur la main-zone moteur principale, la soi-disant " bouton moteur " région ( Figure 2).
- Commencer à appliquer une impulsion unique TMS et tester les députés ; TMS est livré par un stimulateur (voir Table des matières) relié à une bobine standard de 75 mm de-huit. Pour localiser la " hotspot " de la M1 gauche, tenez la bobine tangentielle sur le cuir chevelu, avec la poignée pointant vers l’arrière et latéralement, incliné à 45° de l’axe sagittal de la ligne médiane du participant ' tête de s.
- Une fois trouvé le point d’accès (c.-à-d. le point de cuir chevelu élicitrices députés au seuil de la controlatérale examiné les muscles de la main), marquer avec un crayon pour faciliter l’application de l’électrode de cible de TAC.
3. TAC préparation des électrodes
- Connect 2 électrodes de surface éponge imbibée d’une solution saline (taille : 5 cm x 7 cm) à l’appareil de stimulation, qui peuvent générer le courant alternatif (par exemple, Brainstim).
- Afin de réduire la sensation de la peau, constamment saturer les électrodes avec une solution saline pour garder les impédances au-dessous de 10 kOhm tout au long de la séance de stimulation tout.
4. TAC protocole Set Up
- pour configurer le protocole TAC à l’aide de l’appareil stimulateur, tout d’abord vérifier l’état de la batterie.
- En utilisant le logiciel, ouvrez une nouvelle session et gérer un nouveau protocole de stimulation.
- Nom du protocole (par exemple, " Beta ").
- Définit la fréquence de la stimulation (par exemple, 20Hz).
- Choisir la forme d’onde (par exemple, sinusoïdale).
- Régler la durée totale du protocole de stimulation (par exemple, 600 s).
- Enfin, régler l’intensité de la stimulation (par exemple, 1 mA), régler l’écart, se décolorent, fondu et de phase à " 0 ".
Remarque : un petit délais par fade in et out la stimulation (environ 30 s) peuvent être suggérées, afin d’éviter des effets neurosensoriels indésirables ou mal à l’aise pour le sujet. - Activer le périphérique ' s " Bluetooth " fonctionner et télécharger le protocole du logiciel au stimulateur.
5. TAC électrodes Montage
- lieu le " cible " électrodes sur le cuir chevelu correspondant au point marqué. Place du " Référence " électrode par-dessus l’épaule homolatérale à l’aide de ruban adhésif spécifique, dans un " montage monopolaire " 21.
- Ajuster soigneusement la première sangle élastique sur la tête en ce qui concerne la position de tête-capteurs de neuro-navigation. Puis, en utilisant la deuxième courroie, fixer la position d’électrode de cible.
- Une fois que le TAC électrodes sont placées sur le cuir chevelu et sur l’épaule homolatérale, connectez-les au stimulateur.
- Avant le début de la séance de stimulation, assurent par une inspection visuelle que la position de l’électrode de cible est centrée sur le hotspot marqué.
6. Identifier le seuil moteur au repos (RMT)
- lieu le TMS de bobine sur l’électrode de TAC de cible et ajuster soigneusement la position de la bobine sur le hotspot ( Figure 3) en utilisant le système neuro-navigation.
- Mesure la RMT en conséquence à la configuration de combinés TAC-TMS (c.-à-d., TMS bobine sur l’électrode). Plus précisément, régler l’intensité TMS en ce qui concerne l’épaisseur de l’électrode de TAC afin de vérifier un RMT fiable.
- Mesurer la RMT séparément, il se définit comme l’intensité minimale requise pour induire un député dans le muscle de l’IDE avec une amplitude de 50 mV (crête à crête) dans 5 des 10 essais 22.
- La valeur de l’intensité de la stimulation de TMS à 110 % de la RMT afin de démarrer la session expérimentale.
7. procédure expérimentale
- Ouvrez le logiciel EMG et commencer l’enregistrement de l’EMG.
- Commencer la stimulation TAC.
- Pendant la stimulation, fournir des impulsions unique TMS entrecoupées par des intervalles aléatoires de 3 à 5 secondes.
- Veiller à ce que chaque session de la stimulation (par exemple, 20Hz TAC stimulation suivie par une fréquence de sham/un autre contrôle) dure pas plus de 90 secondes, avec un intervalle de Inter-session environ 3 minutes, afin d’éviter tout effet de report possible de la précédant la stimulation fréquence/condition 11 , 13.
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Representative Results
La première preuve d’une approche combinée de TAC/TMS a été diffusée par Kanai et coll. en 2010. Dans cette étude, les auteurs TAC sur le cortex visuel primaire (V1) et démontré une modulation de fréquence spécifique de l’excitabilité corticale visuelle mesurée par en ligne induite par le TMS phosphene perception15. Une version plus raffinée du protocole a été adoptée afin d’étudier une modulation physiologique de l’excitabilité du cortex moteur par Feurra et coll. en 2011. Pour ce faire, ces auteurs ont enregistré les députés au cours de la seule impulsion de TMS tandis que TAC en cours a été livré (Figure 4). Auteurs ont rapporté la première preuve de cause à effet d’entraînement possible de 20Hz stimulation du rythme bêta ralenti endogène du M1 en améliorant la sortie faisceau pyramidal en ce qui concerne les autres fréquences de contrôle, le site de contrôle (stimulation pariétale) et le contrôle expérience (expérience de périphériques de nerf cubital)11 (Figure 5).
Dans une étude suivante, Feurra et collaborateurs ont montré que les effets des TAC sont non seulement les fréquences, mais aussi dépendant de l’état13. En utilisant le même combiné montage, TAC a été appliqué sur la M1 dans deux conditions différentes : imagerie reste et le moteur (les sujets ont été invités à imaginer pincée-pour les mouvements de la poignée). Conformément à la précédente de constatations11, seulement la stimulation Beta (20 Hz) amélioré excitabilité du cortex moteur primaire au repos, alors qu’au cours de la tâche de l’imagerie motrice l’effet d’amélioration était éminent pendant theta (5 Hz) et la stimulation alpha (10 Hz). Cela représente la première preuve physiologique d’un effet dépendant de l’état de TAC.
A ce jour, ceci combiné approché a été utilisée pour une étude plus approfondie du fonctionnement du cortex moteur (tableau 1). Guerra et collaborateurs appliquées TAC-TMS, en utilisant une approche similaire, pour montrer comment certains circuits interneuronales réagissent à la stimulation envoyées à fréquence moteur (20 Hz) et une fréquence de résonance non moteurs (7 Hz). Ils ont montré que la stimulation de 20Hz abolit l’effet cholinergique courte latence afférente inhibition (SAI), quelle que soit la phase de la stimulation. Fait intéressant, changements glutamatergique intracortical facilitation (ICF) et l’inhibition intracortical court-intervalle GABAAergic (SICI) étaient spécifiques à phase23.
Figure 1 : Liste des matériaux requis pour la stimulation simultanée de TAC. Une solution saline, dispositif de commande, des sangles élastiques, éponges (TAC), TAC câble fils et électrodes, seringues, un ruban adhésif. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Neuronavigation pendant le protocole TAC-TMS. La Croix rouge indique un TMS mémorisé "hot spot" sur le cortex moteur primaire. La croix blanche qui se chevauchent indique un positionnement en ligne de la bobine TMS au cours du protocole, comme un signe de la bonne orientation. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : TAC-TMS sur le cuir chevelu du sujet. La bobine TMS doit être placée sur l’électrode de TAC de cible. L’enquêteur doit maintenir la position de la bobine selon les coordonnées de neuronavigation du hotspot. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Représentation schématique du plan expérimental en utilisant l’approche en ligne TAC-TMS. (a) rouge (« target ») électrodes sont placées sur le cuir chevelu recouvrant le cortex moteur gauche et le cortex pariétal droit (poste P4 du système EEG International 10-20). L’électrode bleu (« de référence ») est placé sur la ligne médiane, correspondant à la Ze (10 -20 système International d’EEG) position (montage bipolaire/céphalique). À noter, l’électrode de référence de la proposition actuelle est placé sur l’épaule homolatérale (montage monopolaire), tandis que le P4 est utilisé comme un site de contrôle. (b) Neuronavigated TMS : la bobine est tenue sur l’éponge électrode placée sur la gauche M1. Les triangles colorés indiquent la rétroaction en ligne du déplacement de la cible exacte, bobine avec une tolérance de 2 mm (ce chiffre a été modifié par Feurra et al., 2011)11. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Résultats représentatifs. (a) moyenne amplitude MEP logarithme (barres d’erreur indiquent erreur Standard) valeurs (données brutes) obtenues par le biais de différentes conditions expérimentales. Seulement les TAC livrée à la gamme (20 Hz) de bêta sur le cortex moteur augmente la sortie corticospinale contre toutes les autres conditions (base, 5 Hz, 10 Hz, 40 Hz et 20 Hz sur le cortex pariétal). L’astérisque (*) indique une différence significative de la stimulation de 20Hz à l’égard de toutes les autres conditions. (b) variations en pourcentage par rapport au départ de valeurs d’amplitude MEP brutes (ce chiffre a été modifié par Feurra et al., 2011)11. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| Auteurs | Tâche | Fréquence | Intensité |
Tableau 1 : effets TAC sur le cortex moteur primaire par le biais de différentes conditions. Fréquence, intensité, site cortical de stimulation et de résultats.
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Discussion
Cette approche représente une occasion unique de tester directement en ligne effets des TAC du cortex moteur primaire en mesurant corticospinaux sortie par les députés d’enregistrement. Toutefois, la mise en place de la bobine TMS sur l’électrode de TAC représente une étape essentielle qui doit être effectuée avec précision. Par conséquent, nous suggérons d’abord expérimentateurs trouver un point cible par simple impulsion TMS, puis marquent sur le cuir chevelu et, seulement après cela, placer l’électrode de TAC sur le hotspot. En outre, la disponibilité d’un système de neuronavigation crucialement prend en charge la localisation d’un point de l’objectif optimal pour impulsionnel TMS. Avant de commencer la procédure, faire en sorte que le participant n’a pas des contre-indications pour tES24 et20de la TMS.
En outre, l’épaisseur et la position de l’électrode de TAC sous la bobine TMS peuvent conduire à un RMT différente en ce qui concerne une procédure standard. Ainsi, il est important de mesurer la RMT lorsque la bobine TMS est déjà positionnée sur l’électrode de TAC.
L’approche en ligne TMS-TAC représente une avancée technique pour la recherche fondamentale et application clinique. Étant donné que la majeure partie de la preuve de TAC a montré que les effets sont importants pendant et pas après la cessation de la stimulation, cette approche peut être utile pour tester des effets bénéfiques en ligne de fréquence spécifiques sur des patients atteints de maladie moteur, comme le tremblement essentiel, dystonie, maladie de Parkinson et autres maladies moteurs.
Jusqu’ici, cette approche combinée a permis d’étudier le moteur, et le cortex visuel traite11,15. Cependant, les TAC lui-même s’est avéré être une technique fiable pour améliorer les fonctions cognitives comme la mémoire et de la décision faisant14,16,25,26,27. À l’avenir, la possibilité de combiner des TMS répétitive (SMTr) ainsi que de la TAC en manipulant les différentes fréquences et en ciblant différentes aires corticales peut-être aider à étudier les mécanismes de la soi-disant « neuroenhancement ». De même, il a déjà été démontré que la combinaison de TAC avec un protocole TMS à motifs, comme la stimulation de rafale continu thêta (SSCI), aboutirent à une incidence accrue de la plasticité uniquement lorsque la SB-TSC a été appliqué en phase avec le pic de l’activation imposées par le TAC 28. en outre, alors que TMC est utilisé comme un outil clinique, sa combinaison avec TAC pourrait conduire à l’élaboration d’une nouvelle méthode clinique de réadaptation neurologique.
Bien que cet article se concentre sur la stimulation de la M1, autres régions corticales peuvent être ciblées en utilisant cette approche combinée. Cependant, seulement une stimulation du système moteur humain peut conduire à potentiels évoqués moteurs mesurables (MEPs) enregistrés à partir des muscles périphériques sur le côté controlatéral, ce qui représente un signal composé de série de descendantes cortico-spinal salves avec différents groupes électrogènes29. En revanche, autres déploiements électrode peuvent offrir des possibilités différentes pour étudier les effets inter hémisphériques en ligne en utilisant tACS bilatérale simultanée sur M1 droit et gauche ainsi que de la seule impulsion TMS. En outre, l’approche en ligne TAC-TMS peut servir à cibler des régions corticales différentes pendant une tâche comportementale par la mesure des temps de réaction (RT) et la précision. D’une part, l’approche de TAC-TMS offre une méthodologie sans artefact pour l’étude des fonctions motrices humaines ; d’autre part, une approche de TAC-EEG peut offrir plus de possibilités pour l’étude des corrélats neurones de différents processus cognitifs en ciblant une variété des aires corticales, mais toujours avec un plus grand nombre d’objets à l’intérieur des enregistrements de signaux.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette étude a été financée par la Fondation de la Science russe accorde (numéro de contrat : 17-11-01273). Merci à Andrey Afanasov et ses collègues du Centre multifonctionnel d’Innovation télévision Technics (Université nationale de la recherche, école supérieure d’économie, Moscou, Russie) pour l’enregistrement vidéo et montage vidéo.
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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