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Neuroscience

Effetti della stimolazione transcranica con corrente alternata la corteccia motoria primaria di approccio combinato Online con stimolazione magnetica transcranica

Published: September 23, 2017 doi: 10.3791/55839

Summary

Corrente alternata la stimolazione transcranica (TAC) permette la modulazione dell'eccitabilità corticale in un modo frequenza-specifico. Qui vi mostriamo un approccio unico che combina online TAC con singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) al fine di "sondare" eccitabilità corticale mediante potenziali evocati motore.

Abstract

Corrente alternata la stimolazione transcranica (TAC) è una tecnica di neuromodulatory in grado di agire attraverso forme d'onda sinusoidali elettriche in una specifica frequenza e a loro volta modulano in corso attività oscillatoria corticale. Questo neurotool consente l'istituzione di un nesso di causalità tra attività oscillatoria endogeno e comportamento. La maggior parte degli studi TAC hanno dimostrato effetti di TAC. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa i meccanismi di azione di questa tecnica a causa i manufatti AC-indotto sui segnali di elettroencefalografia (EEG). Qui vi mostriamo un approccio unico per studiare online effetti fisiologici di frequenza specifico di TAC della corteccia motoria primaria (M1) utilizzando singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) per sondare le modifiche eccitabilità corticale. Nel nostro setup, la bobina TMS è posizionata sopra l'elettrodo di TAC, mentre i potenziali evocati motori (MEP) sono raccolti per verificare gli effetti dei M1-TAC in corso. Finora, questo approccio è stato utilizzato principalmente per studiare i sistemi visive e motori. Tuttavia, l'installazione corrente di TAC-TMS può spianare la strada per le indagini future delle funzioni cognitive. Pertanto, le forniamo un manuale passo-passo e video linee guida per la procedura.

Introduction

Stimolazione elettrica transcranica (tES) è una tecnica di neuromodulatory che consente la modifica degli stati neuronali attraverso diversi attuali forme d'onda1. Tra diversi tipi di tES, transcranial stimolazione a corrente alternata (TAC) consente la consegna dei potenziali oscillatori esterni sinusoidale in una gamma di frequenza specifica e la modulazione dell'attività neurale fisiologica sottostante percettivo, motorio e cognitivo processi2. Mediante TAC, è possibile studiare potenziali relazioni causali tra attività oscillatoria endogeno e processi cerebrali.

In vivo, è stato dimostrato che chiodare l'attività neurale è sincronizzato a diverse frequenze, guida, suggerendo che il firing neuronale può essere trascinato da campi elettricamente applicati3. Nei modelli animali, debole TAC sinusoidale trascina la frequenza di Scarica del pool neuronale corticale diffusa4. In esseri umani, TAC combinato con online elettroencefalografia (EEG) permette l'induzione al cosiddetto effetto "Trascinamento" su attività oscillatoria endogeno interagendo con le oscillazioni del cervello in un modo specifico di frequenza5. Tuttavia, combinando TAC con metodi di neuroimaging per una migliore comprensione dei meccanismi online è ancora discutibile a causa di artefatti indotta da AC6. Inoltre, non è possibile registrare direttamente il segnale EEG sopra l'area di destinazione stimolato senza l'utilizzo di un elettrodo di forma di anello che è una soluzione discutibile7. Così, c'è una mancanza di studi sistematici su questo argomento.

Finora, non c'è alcuna chiara evidenza circa gli effetti durevoli del TAC dopo cessazione di stimolazione. Solo pochi studi hanno indicato gli post-effetti deboli e poco chiari di TAC sul sistema motorio8. Inoltre, la prova di EEG non è ancora chiara circa le conseguenze della TAC9. D'altra parte, molti studi di TAC hanno mostrato effetti online prominenti10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, che sono difficili da misurare a livello fisiologico a causa di vincoli tecnici. Così, l'obiettivo generale del nostro metodo è quello di fornire un approccio alternativo per verificare gli effetti online e dipendente dalla frequenza dei TAC sulla corteccia di motore (M1) fornendo singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS). TMS permette ai ricercatori di "sonda" lo stato fisiologico del corteccia motoria umana19. Inoltre, registrando i potenziali evocati motori (MEP) sulla mano controlaterale del soggetto, possiamo studiare gli effetti dei TAC in corso11. Questo approccio ci permette con precisione monitor cambiamenti nell'eccitabilità corticospinale misurando l'ampiezza MEP durante stimolazione elettrica online consegnata a diverse frequenze in modo priva di artefatti. Inoltre, questo approccio può anche testare online effetti di qualsiasi altra forma d'onda di tES.

Per dimostrare gli effetti combinati dei TAC-TMS, ci mostrerà il protocollo applicando la stimolazione 20 Hz AC sopra la corteccia motoria primaria (M1) mentre online neuronavigated singolo impulso TMS viene recapitato intervallata da intervalli casuali da 3 a 5 s al fine di testare M1 eccitabilità corticale.

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Protocol

tutte le procedure sono state approvate dal comitato etico locale ricerca della Higher School of Economics (HSE), a Mosca, con il consenso di tutti i partecipanti.

Nota: i partecipanti non devono presentarsi la storia di dispositivi impiantati in metallo, malattia neurologica o psichiatrica, abuso di droga o alcolismo. TMS è usato secondo le più recenti linee guida sicurezza 20. Soggetti devono essere pienamente informati della natura della ricerca e segno un modulo di consenso informato prima di iniziare l'esperimento. Vi mostriamo un intero set di attrezzature necessarie per eseguire il protocollo online-combinato TAC-TMS da stimolazione della M1 dominante ( Figura 1; Tabella dei materiali).

1. elettrodi posto l'elettromiografia (EMG) in un montaggio di pancia-tendine bipolare

  1. pulire la pelle con un peeling pulizia sotto tutti gli elettrodi per raggiungere impedenza della pelle bassa (inferiore a 10 kOhm).
  2. Posizionare l'elettrodo attivo EMG sul primo muscolo interosseous dorsale (FDI), elettrodo di riferimento sull'osso 2 cm distalmente e l'elettrodo di terra più prossimalmente sul braccio

2. Identificare il Target per il protocollo di stimolazione

Nota: qui, usiamo il sistema di navigazione di TMS senza telaio per ottenere un corretto posizionamento della bobina TMS.

  1. Posizionare i sensori di rilevamento sopra la glabella tra le sopracciglia e sopra il naso del partecipante.
  2. Aprire il software di sistema di navigazione. Utilizzare singoli partecipanti ' dati strutturali T1 Imaging a risonanza magnetica (MRI) ed eseguire una co-registrazione del partecipante ' s testa e una testa di MRI 3D tramite il sistema di navigazione.
  3. Con precisione, posizionare la bobina sopra la mano-area motoria primaria, la cosiddetta " motore manopola " regione ( Figura 2).
  4. Iniziare ad applicare singolo impulso TMS e testare i deputati; TMS è consegnato da uno stimolatore (Vedi Tabella materiali) collegato ad una bobina di 75 mm figura--otto standard. Per localizzare il " hotspot " della sinistra M1, tenere la bobina tangenziale del cuoio capelluto, con il manico rivolto all'indietro e lateralmente, inclinato di 45° rispetto all'asse sagittale del midline del partecipante ' testa di s.
  5. Viene individuata l'area sensibile (cioè, il punto di cuoio capelluto suscitamento deputati alla soglia da controlaterale ha esaminato i muscoli della mano), segnare con una matita per facilitare l'applicazione dell'elettrodo bersaglio TAC.

3. TAC preparazione di elettrodi

  1. Connect 2 elettrodi di superficie spugna imbevuta di soluzione fisiologica (dimensioni: 5 x 7 cm) per il dispositivo di stimolazione, che può generare corrente elettrica alternata (ad es., Brainstim).
  2. Al fine di ridurre al minimo la sensazione di pelle, costantemente saturare gli elettrodi con una soluzione salina per mantenere impedenze sotto 10 kOhm in tutta la seduta di stimolazione tutto.

4. TAC protocollo Set Up

  1. per impostare il protocollo di TAC utilizzando il dispositivo di stimolatore, verificare innanzitutto lo stato della batteria.
  2. Utilizzando il software, aprire una nuova sessione e gestire un nuovo protocollo di stimolazione.
    1. Nome del protocollo (ad esempio, " Beta ").
    2. Impostare la frequenza della stimolazione (ad es., 20Hz).
    3. Scegliere la forma d'onda (per esempio, sinusoidale).
    4. Impostare la durata totale del protocollo di stimolazione (ad es., 600 s).
    5. Infine, impostare l'intensità di stimolazione (ad es., 1 mA), impostare offset, dissolvenza in entrata, dissolvenza e fase presso " 0 ".
      Nota: un po' di tempismo per fade in e fuori la stimolazione (circa 30 s) possono essere suggerite, al fine di evitare eventuali effetti negativi o scomodi neurosensoriali per il soggetto.
    6. Attivare il dispositivo ' s " Bluetooth " funzione e caricare il protocollo dal software allo stimolatore.

5. TAC elettrodi Montage

  1. posto il " target " elettrodo sopra il cuoio capelluto corrispondente al punto contrassegnato. Posto il " riferimento " elettrodo sopra la spalla ipsilateral utilizzando nastro adesivo specifico, in un " monopolare montage " 21.
  2. Regolare con cura la prima cinghia elastica sulla testa rispetto alla posizione di testa-sensori di neuro-navigazione. Quindi, utilizzando il secondo cinturino, fissare la posizione di elettrodo bersaglio.
  3. Una volta TAC gli elettrodi sono disposti sia sul cuoio capelluto e sulla spalla ipsilateral, collegarli allo stimolatore.
  4. Prima dell'inizio della seduta di elettrostimolazione, accertarsi mediante ispezione visiva che la posizione dell'elettrodo bersaglio è centrato sopra l'hotspot contrassegnato.

6. Identificare la soglia motore a riposo (RMT)

  1. posto la TMS bobina sopra l'elettrodo di TAC di destinazione e regolare con cura la posizione della bobina sopra il punto caldo ( Figura 3) utilizzando il sistema neuro-navigazione.
  2. Misurare la RMT di conseguenza per il setup di combinato TAC-TMS (cioè, TMS bobina sopra l'elettrodo). In particolare, regolare l'intensità TMS rispetto allo spessore dell'elettrodo TAC al fine di verificare per un affidabile RMT.
    1. Misurare la RMT individualmente, è definito come l'intensità minima richiesta per indurre un MEP nel muscolo FDI con un'ampiezza di 50 mV (picco-picco) in 5 su 10 prove 22.
  3. Impostare l'intensità della stimolazione TMS al 110% della RMT al fine di avviare la sessione sperimentale.

7. procedura sperimentale

  1. aprire il software di EMG e avviare la registrazione EMG.
  2. Iniziare la stimolazione TAC.
  3. Durante la stimolazione, fornire singoli impulsi TMS, inframmezzati da intervalli casuali da 3 a 5 secondi.
  4. Garantire che ogni sessione della stimolazione (ad es., 20Hz TAC stimolazione seguita da una frequenza di sham/un altro controllo) dura non più di 90 secondi con un intervallo di Inter-sessione circa 3 minuti, al fine di evitare possibili riporto effetto dei precede la stimolazione frequenza/condizione 11 , 13.

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Representative Results

La prima prova di un approccio combinato di TAC/TMS è stata indicata da Kanai et nel 2010. In quello studio, gli autori hanno applicato TAC sopra la corteccia visiva primaria (V1) e ha dimostrato una frequenza specifica modulazione dell'eccitabilità corticale visual misurata da online indotta da TMS phosphene percezione15. Una versione più raffinata del protocollo è stata adottata per studiare una fisiologica modulazione dell'eccitabilità della corteccia motoria di Feurra et nel 2011. A tal fine, questi autori hanno registrato i deputati durante singolo impulso TMS mentre TAC in corso è stato consegnato (Figura 4). Autori hanno segnalato la prima prova causale di possibile trascinamento di 20 Hz stimolazione dei Beta, il ritmo endogeno al minimo di M1 migliorando l'output corticospinal rispetto alle altre frequenze di controllo, sito di controllo (stimolazione parietale) e controllo esperimento (esperimento periferico del nervo ulnare)11 (Figura 5).

In uno studio seguente, Feurra e collaboratori hanno mostrato che gli effetti dei TAC sono non solo la frequenza, ma anche dipendenti dallo stato13. Utilizzando lo stesso combinato montage, TAC era applicato sopra la M1 in due diverse condizioni: resto e motor imagery (soggetti è sono chiesto di immaginare pizzico-a movimenti di presa). In linea con i precedenti risultati11, stimolazione di Beta (20Hz) solo migliorato eccitabilità della corteccia motoria primaria a riposo, mentre durante l'attività di immaginazione motoria l'effetto di potenziamento era prominente durante theta (5 Hz) e stimolazione alfa (10 Hz). Questo rappresentato la prima evidenza fisiologica di un effetto di stato-dipendente dalla TAC.

Ad oggi, questo combinato avvicinato è stato usato per studiare ulteriormente il funzionamento della corteccia motoria (tabella 1). Guerra e collaboratori TAC-TMS applicata, tramite un approccio simile, per mostrare come specifici circuiti interneuronale reagiscono alla stimolazione consegnato a motore frequenza (20 Hz) e frequenza di risonanza non motori (7 Hz). Hanno mostrato che 20 Hz stimolazione ha abolito l'effetto di inibizione afferente colinergico breve latenza (SAI), indipendentemente dalla fase della stimolazione. Interessante, cambiamenti di glutamatergic facilitazione intracorticale (ICF) e l'inibizione intracorticale GABAAergic in breve-intervallo (SICI) erano fase-specifici23.

Figure 1
Figura 1: Elenco dei materiali necessari per la stimolazione simultanea TAC. Soluzione salina, dispositivo di controllo, cinghie elastiche, spugne (TAC), TAC cavo fili ed elettrodi, siringhe, nastro adesivo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Neuronavigation durante il protocollo di TAC-TMS. La croce rossa indica un TMS memorizzato hot spot sulla corteccia motoria primaria. La croce bianca sovrapposta indica un posizionamento online della bobina TMS durante il protocollo, come un segno di orientamento corretto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : TAC-TMS sul cuoio capelluto del soggetto. La bobina TMS deve essere posizionata sopra l'elettrodo di TAC di destinazione. Lo sperimentatore deve mantenere la posizione della bobina in conformità con le coordinate di neuronavigation dell'hotspot. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Rappresentazione schematica del disegno sperimentale utilizzando l'approccio online TAC-TMS. (un) rosso ("target") gli elettrodi sono disposti sul cuoio capelluto che ricopre la corteccia motoria sinistra e la corteccia parietale di destra (posizione P4 del sistema EEG internazionale 10-20). Il blu ("di riferimento") l'elettrodo si trova sulla linea mediana corrispondente il PZ (10 -20 sistema EEG internazionale) posizione (montaggio bipolare/cefalica). Di nota, l'elettrodo di riferimento della presente proposta è posto sulla spalla ipsilateral (monopolare montage), mentre P4 viene utilizzato come un sito di controllo. (b) Neuronavigated TMS: la bobina si svolge sull'elettrodo spugna posizionata sopra la sinistra M1. I triangoli colorati indicano il feedback online dello spostamento della bobina dalla destinazione esatta, con una tolleranza di 2 mm (questa figura è stata modificata da Feurra et al., 2011)11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : Risultati rappresentativi. (un) media ampiezza MEP registro-trasformate (barre di errore indicano errore Standard) valori (dati grezzi) ottenuti attraverso diverse condizioni sperimentali. Solo TAC consegnato alle gamma beta (20 Hz) sulla corteccia motoria aumenta l'output corticospinal contro tutte le altre condizioni (linea di base, 5 Hz, 10 Hz, 40 Hz e 20 Hz sulla corteccia parietale). Un asterisco (*) indica una differenza significativa di 20 Hz stimolazione rispetto a tutte le altre condizioni. (b) variazioni percentuali rispetto al basale dei valori di ampiezza MEP non elaborati (questa figura è stata modificata da Feurra et al., 2011)11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Autori Attività Frequenza Intensità
TD > posizione degli elettrodi Risultati Feurra et al., 2011 misurazioni di eccitabilità corticospinale a riposo 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz 1 mA M1 di sinistra, corteccia parietale, nervo ulnare 20 Hz aumentata dimensione di deputati a riposo Feurra et al., 2013 misurazioni di eccitabilità corticospinale a riposo e durante l'immaginazione motoria 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz 1 mA Sinistra M1 20 Hz aumentato dimensione i deputati a riposo mentre il 5 e 10 Hz aumentato dimensione deputati durante l'immaginazione motoria Cancelli et al., 2015 misurazioni di eccitabilità corticospinale a riposo 20Hz 2.2 mA Bilaterali M1 Differenze nell'aumento di eccitabilità corticale rispetto elettrodi personalizzati e non personalizzate Guerra et al., 2016 misurazioni di eccitabilità corticospinale a riposo 7 Hz, 20 Hz 1 mA Sinistra M1 TAC di 20 Hz modulata SICI, ICF e SAI

Tabella 1: effetti di TAC sulla corteccia motoria primaria attraverso diverse condizioni. Frequenza, intensità, sito corticale di stimolazione e di risultati.

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Discussion

Questo approccio rappresenta un'occasione unica per testare direttamente online effetti di TAC della corteccia motoria primaria misurando corticospinal uscita attraverso i deputati di registrazione. Tuttavia, il posizionamento della bobina TMS sopra l'elettrodo TAC rappresenta una fase critica che deve essere eseguita con precisione. Pertanto, in primo luogo vorremmo suggerire gli sperimentatori trovano un punto di destinazione di singolo impulso TMS, poi segnano sul cuoio capelluto e, solo dopo che, posizionare l'elettrodo TAC sopra il punto caldo. Inoltre, la disponibilità di un sistema di neuronavigazione fondamentalmente supporta la localizzazione di un punto di destinazione ottimale per singolo impulso TMS. Prima di iniziare la procedura, assicurarsi che il partecipante non ha controindicazioni per tES24 e TMS20.

Inoltre, lo spessore e la posizione dell'elettrodo TAC sotto la bobina TMS può portare a un RMT differenti per quanto riguarda una procedura standard. Pertanto, è importante misurare la RMT quando la bobina TMS è già posizionata sopra l'elettrodo di TAC.

L'approccio di TMS-tACS online rappresenta un progresso tecnico per la ricerca di base e applicazione clinica. Poiché la maggior parte delle prove TAC ha mostrato che gli effetti sono prominenti durante e non dopo la cessazione della stimolazione, questo approccio può essere utile per testare gli effetti benefici online di frequenza specifici su pazienti con malattia di motore, come il tremore essenziale, distonia, morbo di Parkinson e altre malattie motore.

Finora, questo approccio combinato è stato utilizzato per indagare su motore e corteccia visiva elabora11,15. Tuttavia, i TAC stesso è stato indicato per essere una tecnica affidabile per migliorare le funzioni cognitive come la memoria e decisione facendo14,16,25,26,27. In futuro, la possibilità di combinare TMS ripetitiva (rTMS) insieme a TAC manipolando frequenze differenti e diverse aree corticali di targeting può aiutare a studiare i meccanismi del cosiddetto "neuroenhancement". Allo stesso modo, è stato già dimostrato che combinazione di TAC con un protocollo TMS modellato, come continuo theta burst stimolazione (CTB), ha provocato un effetto di maggiore plasticità solo quando CTB è stata applicata in fase con il picco dell'attivazione TAC-imposto 28. Inoltre, considerando che la rTMS è utilizzato come strumento clinico, la sua combinazione con TAC potrebbe portare allo sviluppo di un nuovo metodo clinico per la neuroriabilitazione.

In questo articolo si concentra sulla stimolazione di M1, altre regioni corticali possono essere mirati utilizzando questo approccio combinato. Tuttavia, solo la stimolazione del sistema motorio umano può portare a potenziali evocati motore misurabili (MEP) registrati da muscoli periferici sul lato controlaterale che rappresenta un segnale composto da serie di discendenti cortico-spinale volée con diversi generatori29. D'altra parte, altre distribuzioni di elettrodo possono offrire diverse opportunità per studiare effetti Inter-emisferici online tramite TAC bilaterale concomitante su M1 sinistro e destro insieme con single-pulse TMS. Inoltre, l'approccio online TAC-TMS può essere usato per destinazione diverse regioni corticali durante un compito comportamentale di misurazione tempi di reazione (RT) e precisione. Da un lato, l'approccio di TAC-TMS offre una metodologia priva di artefatti per l'indagine umane funzioni motorie; d'altra parte, un approccio di TAC-EEG può offrire più possibilità per lo studio dei correlati neurali dei processi cognitivi diversi prendendo di mira una varietà di aree corticali, ma ancora con un maggior numero di manufatti all'interno le registrazioni di segnale.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questo studio è stato sostenuto dal russo Science Foundation grant (numero di contratto: 17-11-01273). Ringraziamento speciale Andrey Afanasov e colleghi dal centro polifunzionale di innovazione per televisione Technics (National Research University, Higher School of Economics, Moscow, Russia) per la registrazione video e video editing.

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

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Shpektor, A., Nazarova, M., Feurra,More

Shpektor, A., Nazarova, M., Feurra, M. Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (127), e55839, doi:10.3791/55839 (2017).

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