Summary
Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är ett lovande verktyg för icke-invasiv utredning av hjärnoscillationer, även om effekterna inte är fullständigt förstådda. I denna artikel beskrivs en säker och pålitlig inställning för att applicera tACS samtidigt med funktionell magnetisk resonansbildning, vilket kan öka förståelse av oscillerande hjärnfunktion och effekter av tACS.
Abstract
Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är ett lovande verktyg för icke-invasiv undersökning av hjärnoscillationer. TACS använder frekvensspecifik stimulering av den mänskliga hjärnan genom ström applicerad på hårbotten med ytelektroder. Teknikens senaste kunskap är baserad på beteendestudier; Således kombinerar metoden med hjärnbildning potential för att bättre förstå mekanismerna för tACS. På grund av elektriska och mottagliga artefakter kan kombinering av tACS med hjärnbilder vara utmanande, men en hjärnbildsteknik som är väl lämpad att appliceras samtidigt med tACS är funktionell magnetisk resonansbildning (fMRI). I vårt laboratorium har vi framgångsrikt kombinerat tACS med samtidiga fMRI-mätningar för att visa att tACS-effekterna är statliga, aktuella och frekvensberoende, och att modulering av hjärnaktivitet inte är begränsad till området direkt under elektroderna. Den här artikeln beskriver en säker och pålitlig uppsättningUpp för att applicera tACS samtidigt med fMRI-studier med visuell uppgift, vilket kan ge upphov till förståelse för oscillatorisk hjärnfunktion samt effekterna av tACS i hjärnan.
Introduction
Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är en icke-invasiv hjärnstimuleringsteknik med löftet att undersöka neurala svängningar och frekvensspecifika hjärnfunktioner hos friska individer samt att studera och modulera svängningar i kliniska populationer 1 . Med hjälp av två eller flera ledande elektroder placerad i hårbotten appliceras sinusformiga vågor med låg ström (1-2 mA topp-till-topp) till hjärnan vid en önskad frekvens för att interagera med pågående neurala svängningar. TACS-studier har uppmätt frekvens- och uppgiftsspecifika beteende- eller kognitiva moduleringar inklusive men inte begränsat till motorfunktion 2 , arbetsminneprestanda 3 , somatosensation 4 och visuell uppfattning 5 , 6 , 7 . Att applicera växelström på ett icke-invasivt sätt har också resulterat i funktionellFörbättring hos neurologiska patienter, såsom tremorreduktion i Parkinsons sjukdom 8 , förbättrad syn i optisk neuropati 9 och förbättrad talhastighet, sensorisk och motoråtervinning efter stroke 10 . Trots ett ökande antal studier som använder tACS för forskning och bevis på dess terapeutiska potential i kliniska miljöer, är effekterna av denna teknik inte fullt ut karakteriserad, och dess mekanismer är inte fullständigt förstådda.
Simuleringar och djurstudier kan ge insikt i effekterna av växelströmsstimulering vid den cellulära eller neurala nätverksnivån under kontrollerade tillstånd 11 , 12 , men med tanke på tillståndsberoende av effektiva stimuleringstekniker 13 , 14 avslöjar sådana studier inte hela bilden . Kombination av tACS med neuroimaging teknikerSom elektroencefalografi (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografi (MEG) 18 , 19 , 20 eller funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 kan informera om systemnivåmodulering av hjärnfunktion. Men varje kombination kommer med tekniska utmaningar, främst på grund av stimuleringsinducerad artefakter vid mätning av frekvenser av intresse 15 . Fastän den tidsmässiga upplösningen av fMRI inte kan matcha EEG- eller MEG-mätningar, är dess rumsliga täckning och upplösning i kortikala och subkortiska hjärnregioner överlägsen.
Nyligen visade vi i en kombinerad tACS-fMRI-studie att effekterna av tACS på blodets syrebildningsnivå dEpendent (BOLD) -signalen uppmätt med fMRI är både frekvens och uppgiftsspecifik och att stimuleringen inte nödvändigtvis utövar sin största effekt direkt under elektroderna, men i områden som ligger längre bort från elektroderna 22 . I en efterföljande studie undersökte vi effekten av tACS elektrodposition och frekvens på nätverksfunktionen med hjälp av amplitud av lågfrekventa fluktuationer och vilolägesfunktionell anslutning, inklusive användning av korrelationsfrön från de mest direkt stimulerade regionerna, som härleddes från ämnesbaserad strömtäthet simuleringar. Mest i synnerhet i denna studie framkallade alfa (10 Hz) och gamma (40 Hz) stimulering ofta motsatta effekter i nätverksanslutning eller på regional modulering 23 . Dessutom var det mest vilande nätverksnätverket som var det vänstra fronto-parietala kontrollnätet. Dessa studier belyser potentialen för att använda fMRI för att bestämma optimala parametrar för effektiv, kontrollerad stimulation. Dessutom bidrar de till bevis för att bortsett från kontrollerade parametrar, såsom uppgiftstillstånd och tidpunkt, stimuleringsfrekvens och elektrodpositioner, finns det subjektspecifika faktorer som påverkar framgången för tACS. Exempel på ämnesegenskaper som översättas som okontrollerbara variabler vid optimering av stimuleringsparametrar är inneboende funktionell anslutning, endogen oscillations toppfrekvens ( t.ex. individuell alfafrekvens) och skalle och hudtjocklek 25 . Med tanke på den aktuella litteraturen om tACS krävs flera studier som kombinerar tACS med neurala mätningar som neuroimaging för att fastställa omfattande förfaranden för effektiva hjärnstimuleringstekniker.
Här beskriver vi en säker och tillförlitlig inställning för experiment som tillämpar tACS samtidigt med fMRI av en visuell uppgift, med fokus på aspekter av installation och exekvering som ger framgångsrikt synkroniserad tACS med artefaktfria förvärv av fMRI-data.
Protocol
Utför alla experiment i enlighet med riktlinjerna för institutionella etiska kommittéer. För alla studier som nämns i detta manuskript utfördes alla förfaranden enligt Helsingforsdeklarationen och godkändes av den lokala etiska kommittén vid Universitetsmedicinska centrumet Göttingen.
1. Stimulering och datorinstallation före experimentet
- Stimulatoruppsättning
OBS: Stimulatorn som används för detta fMRI-experiment är ett specialdesignat magnetresonansystem (MR) som är utrustat med en MR-säker inre filterlåda, en yttre filterlåda, säkerhetsmotstånd, kopplade kablar och MR-säkra material. Vissa anvisningar gäller specifikt tillverkarens anvisningar, och dessa kan variera vid användning av en annan stimulator. Var därför försiktig med att följa instruktionerna från tillverkaren som kan utgöra undantag från denna inställning. Figur 1A visar stimulatornKomponenter som används i den här experimentella inställningen.- Navigera genom stimulatorens meny för att programmera de önskade experimentella parametrarna (se användarhandboken för detaljer). Till exempel, för en stimuleringsfrekvens på 10 Hz, programmera 10 cykler för ramp-upp / ned-tid på 1 s, 300 sinusformiga cykler under 30 s stimulering, strömstyrka lika med 1000 μA och repetitivt utlösarläge, som utförts för vår Experiment om inget annat anges. Spara programmet för att ladda för varje gång experimentet körs därefter.
- Anslut stimulanspresentationsdatorns utlösningsutgång till stimulatorn med en BNC-kabel.
- Placera en icke-magnetisk, avskärmad lokal nätverk (LAN) -kabel genom radiofrekvens (RF) vågledarröret från insidan av scannerns rum. För att undvika resonanskapacitiv koppling, se till att kabeln är fri från slingor och placeras längs rummets vägg, vilket leder till magnetens borrning bakom och längs höger skannerbäddG inuti borrningen, vilket leder till placeringen av den inre filterlåda (se figur 1C och säkerhetsanvisningar i steg 2.4 om kabelposition). Säkra kabeln med tejp placerade intermittent längs dess längd.
- Ladda visuellt stimulansprogram på en utsedd presentationsdator som är separat från skannerns styrdator. Som avbildad i Figur 1C ansluts presentationsdatorn till skannerns utlösningsutgång via en optisk / elektrisk omvandlare och till en utmatningsenhet ( dvs. projektor) som placeras i ett skyddat fall eller utanför magnetrummet. Använd icke magnetiska speglar för att rikta projektionen på en skärm inuti skannerborrningen.
2. Ämne Ankomst och Förberedelse
- Förskärmade rekryterade personer för eventuella kontraindikationer för MR-skanning ( t.ex. inga metallimplantat, ingen klaustrofobi, experimentspecifika ämnesförutsättningar) somSåväl som för tACS ( t ex historia av anfall, kronisk huvudvärk, graviditet) 26 , 27 .
- När ämnet anländer, instruera ämnet om fMRI-experimentets detaljer och beskriva erfarenheten att förvänta ( t.ex. visuell stimulans, stickning eller fosfener från tACS, speciella arbetsinstruktioner).
- Placera elektroderna enligt 10-20 EEG-systemet och stimulatorpreparat.
- Med hjälp av ett måttband mäter avståndet på motivets huvud från nationen till inionen och från öron till öra över huvudets övre del. Korsningen av båda längderna ger läget på huvudet för Cz, enligt 10-20 EEG-systemet. Markera platsen för Cz i hårbotten med en markör.
- Placera ett EEG-lock utan elektroder på motivets huvud, med Cz anpassad till märket på motivets hårbotten, bestäm elektrodens önskade placering och markera dem.
INTEE: Det är viktigt att alla experter använder samma placeringssystem för att säkerställa konsekvens genom alla experiment. 10-20 EEG-systemet, som vanligen används vid transkraniella stimuleringsexperiment, har specifika riktlinjer för att upprätthålla exakt elektrodplacering 26 , 28 . - Använda alkohol och bomullspuddar, rengör håret och huden på och runt de markerade fläckarna på motivets hårbotten; Ta bort oljor och hårprodukter.
- Sprid lite gel på gummielektroderna och tryck noggrant på varje elektrod på de markerade och rengjorda platserna på motivets hårbotten, vilket säkerställer full kontakt från elektroden till ledande gel i hårbotten med minimal impedans.
- Använd en extra skärmad LAN-kabel, anslut filterboxarna och MR-säkra kablarna till stimulatorn och till gummielektroderna enligt bild 1A .
- Slå på stimulatorn och testa impedansen (se användarensManual för detaljer). Om impedansen inte är mindre än 20 kΩ, tryck elektroderna i hårbotten eller tillsätt elektrodgel efter behov tills denna impedansriktlinje är uppfylld.
- När impedansen är under 20 kΩ, låt stimulatorn strömma ut strömmen i några sekunder för att bekanta motivet med den sensoriska upplevelsen. Fråga ämnet om sensorisk uppfattning under detta test, inklusive om det finns en stickande känsla och kan motstå och utsträckning eller lokalisering av fosfener under stimulering.
- Vid denna tidpunkt är ämnet berett att flytta till skannerns säng. Lämna elektrodkabeln i gummielektroderna på motivet, koppla ur stimulatorn, den extra LAN-kabeln och de yttre och inre filterlådorna.
- Anslut den yttre filterlådan till LAN-kabeln som går genom vågledaren till MR-scannern, vilket möjliggör så liten exponerad LAN-kabel som möjligt utanför vågledaren (se Figur 1B ). AnslutStimulator till den yttre filterboxen med hjälp av stimulatorkabeln och dubbelkontrollera att stimulatorn är ansluten till presentatorns utlösningsutgång.
- Förbered ämnet inuti MR-scannern.
OBS! Figur 1C visar den fullständiga tACS-fMRI-inställningen under experimentet. Det är avgörande att ordna kablarna och den inre filterlåda enligt specifikation, med elektrodkabeln anordnad i en vinkel på ca 90 ° till skannerns säng och det inre filterlåset som ligger på skannerns räcke på skannerns högra sida borra. Försummelse att göra det kan skada elektrodkabelns säkerhetskrets; Denna konfiguration gäller både öppna och stängda RF-spolar.- Efter att du har säkerställt att ämnet är fritt från magnetiska material och redo för MRT-experimentet, led föremålet in i skannerns rummet.
- Ge öronproppar för hörselskydd mot motivet och instruera ämnet att ljugaPå skannerns säng, placera kuddar runt och under huvudet och under benen för komfort och för att minska rörelsen. När du placerar kuddarna bakom motivets huvud, var särskilt uppmärksam på att placera elektrodkabeln platt och i en position som är bekväm för motivet att ligga på under försöksperioden.
- Ge larmkulan och MR-säker svarknapp till motivet för att hålla så att minimal rörelse krävs för att trycka på en knapp för att svara i experimentet.
- Säkra RF-huvudspolen över motivets huvud med en spegel fastsatt så att motivet kan se projektionsskärmen återspeglas i rätt riktning.
- Ta tillfälligt fast elektrodkabelns fria ände som kommer från gummielektroderna till en plats i huvudspolen så att den inte fångas när sängen rör sig. Figur 1D visar motivets huvud placerat i huvudspolen med kuddar, spegel och tACS-kabel på plats bFör att flytta sängen till mitthuvudspolen för avbildning. Filterlådan visas också på skannerns räcken, som ett exempel på var den måste sitta i förhållande till huvudspolen när skannerns säng är i mätläget.
- Flytta skannerns sängen till mätläget. Anslut elektrodkabeln från gummielektroderna till den inre filterboxen som ansluts till LAN-kabeln, som avbildad i Figur 1C, från bakre änden av skannerborrningen. För att förhindra överflödig rörelse under skanning, säkra kablarna och filterlådan längs skannerns sängreling till höger om borrningen med band och sandpåsar. Placera projektorns skärm i bakre änden av skannerborrningen.
- Testa impedansen på stimulatorn en gång till för att säkerställa att alla anslutningar mellan kablar, filterlådor och stimulatorn är korrekt gjorda.
3. MR-skanning och experiment
- Innan skanningen börjar testar du attPresentationsdatorn registrerar när motivet trycker på svarknappar.
- Förvärva T1-viktad anatomisk data med hög upplösning ( t.ex. tredimensionell turbo snabb lågvinkelskott, ekotid (TE): 3.26 ms, upprepningstid (TR): 2.250 ms, inversionstid: 900 ms, vridvinkel 9 °, Isotrop upplösning av 1 x 1 x 1 mm 3 ).
- Efter förvärvet, justera kontrasten och fönstret på den anatomiska MRT till låga och höga ytterligheter för att visuellt detektera ljud under skanning som kan bero på stimulatoruppsättningen. Fortsätt denna visuella övervakning av ljud samtidigt med funktionell bildförvärv.
- Starta experimentet på presentationsdatorn, redo för att börja med scannerns utlösare och starta stimulatorn för att vänta på utmatningspresentatorns utgångsutlösare. Lämna stimulatorn på och ansluten genom fMRI-experimentet för att undvika skillnader i det tidsmässiga signal-brusförhållandet (tSNR) mellan stimulatornPå och av villkor 22 .
- Starta fMRI-skanningen ( t.ex. tvådimensionell T2 * -viktad gradient-eko-echo-plan bildbehandling; TE: 30 ms, TR: 2,000 ms, vändvinkel 70 °, 33 skivor med 3 mm tjocklek, ingen mellanrum mellan skivorna vid En inplan-upplösning på 3 x 3 mm 2 , 210 volymer i sju minuters skanning), vilket utlöser experimentets början på presentationsdatorn. Övervaka stimulatordisplayen för att garantera att strömmen skickas vid önskad tid under hela försöksperioden.
4. Experiment Slutsats
- När försöket har kört och skanningen är klar ska du koppla bort den inre filterkåpan från kabeln som är ansluten till gummielektroderna innan du flyttar skannerns säng, ta bort motivet från skannern och ta bort elektroderna och lämna föremålet fritt att tvätta håret.
- Stäng av stimulatorn och sätt i den för att ladda. Rengör gummielektroderna med vatten för deras nexT använda.
Representative Results
Figur 2 och Figur 3 visar representativa bilder som erhållits för utrustningsstörningstester i en fantom och i en mänsklig individ. I varje rad visar figur 2 och figur 3 representativa axiella skivor från en förvärvad volym eller beräknad karta, märkt följaktligen ovanför raden. Den högsta bilden på varje rad är en sagittal representation av motsvarande volym eller beräknad karta, vilket indikerar axiella segmenten med blå linjer. Bortsett från den första raden, som illustrerar elektrodplacering i vitt, överlagras volymen på en T1-vägd bild i varje figur. Observera att det inte finns någon distorsion eller signalavbrott från elektroderna i de T1-viktiga bilderna. Den andra raden i figur 2 visar representativ funktionell MR-data som förvärvats med tACS-inställningen på plats och vändpå. I fantom i figur 2 märker vi att det finns en viss signalavbrott och förvrängning på grund av elektroderna, men rad 2 i figur 3 visar att dessa snedvridningar inte sträcker sig bortom hårbotten i ett ämne. Rader tre och fyra i figur 2 visar brusmätningar i volymen, vilka förvärvas med samma parametrar som fMRI-data men utan en RF-excitationspuls. Bilderna visar brusnivån i skannerns rummet och MR-hårdvaran under skanningen. Rad tre är en bullermätning med tACS av och rad fyra är en med tACS på. I den femte och sjätte raden i Figur 2 är tSNR-kartor för funktionella körningar med tACS-inställningen respektive stimulatorn av och på respektive. TSNR-kartor beräknat utifrån data som förvärvats i det mänskliga ämnet som visas i figur 3 rader tre, med tACS-avstängning och fyra, med tACS på. Observera att det inte finns någon synlig skillnadIntensitet i jämförelse mellan stimuleringsförhållandena. Som vi visat i en tidigare studie producerar tACS-utrustningen cirka 5% minskning av tSNR i bilder jämfört med de som förvärvats utan tACS-inställningen, men tSNR bör förbli stabil över stimulering av och på villkor 22 .
Figur 4 representerar en serie bilder som visar signalavbrott som kan uppstå när icke-MR-kompatibla elektroder används. Skivor från en fMRI-volym som förvärvats av ett ämne med elektroder som kan ha vissa metallföroreningar visar signalutfall under elektroden placerad ungefär över primära motorcortex, såsom indikeras med röda cirklar.
Figur 5 visar resultat av ett experiment som testar effekterna av strömstyrkan på 16 Hz Cz-Oz-tACS på BOLD-signalen i ämnen vars enda t Fråga är central korsfixering. Under experimentet intervallades 12 sekunders perioder av tACS med icke-stimuleringsperioder varierande från 24 till 32 sekunder. I en pseudorandomiserad ordning applicerades tACS med en annan strömstyrka (500 μA, 750 μA, 1000 μA, 1500 μA) i var och en av fyra körningar. Figur 5A visar händelsesrelaterade medelvärden för BOLD-signalen för statistiskt signifikanta kluster, med ökande effekt på BOLD-signalen med ökad strömstyrka. Dessutom visar figur 5B strömstyrka specifika T-score kartor som illustrerar regional specificitet av effekter samt ökad rumslig effekt med ökad strömstyrka. Det är också värt att notera att BOLD-aktivitet i frontregioner förändrades signifikant, vilket visar att modulering inte alltid var direkt under elektroderna. För detaljer, se Cabral-Calderin och kollegor 22 .
E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 6 visar representativa resultat av ett experiment som testar frekvensberoendet av tACS-effekter under en visuell uppfattningsuppgift. Ämnen rapporterade den uppfattade riktningen hos en bistabil roterande sfär. Samtidigt applicerades tACS med elektroder placerade vid Cz och Oz vid en av tre stimuleringsfrekvenser (10 Hz, 60 Hz eller 80 Hz) i var och en av tre separata sessioner. Figur 6A illustrerar experimentets timing med visuell presentation och tACS-perioder mellan Blockering av central korsfixering. TACS-tillstånd och interaktionskartor med frekvenseffekt och klyftor efter hoc-tester visar frekvensspecifika effekter i parietalcortex med 10 Hz tACS minskar och 60 Hz ökningssignal ( Figur 6B ). Figur 6C visar T-poäng Kartor över specifika effekter av 60 Hz tACS som sträcker sig utanför parietal cortex för att inkludera vissa occipiTal och frontal regioner. För experiment och analys detaljer, se Cabral-Calderin et al. 22 .
Figur 1: TACS-inställning i skannern. ( A ) TACS-inställningen med alla nödvändiga delar. Stimulatorn och kablarna är anslutna utanför det MR-skärmade rummet. Också visas EEG-kåpan, måttbandet och ledande gel som används för elektrodplacering. ( B ) Outer Filter Box och Stimulator Placerad Utanför Scannerrummet. LAN-kabeln (inte synlig i figuren) kommer från skannerns rummet via RF-vågledarröret och ansluts till den yttre filterlådan, med så liten LAN-kabel som möjligt utanför skannerns rummet. Stimulatorn ska anslutas till den yttre filterlåda såväl som till presentationskabelns utlösningskabel. ( C )Skannermiljö med experimentell inställning. Avbildning av tACS-inställningen, inklusive presentationsdator, skannerdator och utlösarutgång och projektor. ( D ) Ämnespositionering för experiment. Viktiga delar inkluderar kuddar, kabelplacering, spegel och huvudspole. Filterlåda placeras på skannerrassens räcke som ett exempel på placering i hålet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Kvalitetsbedömning MR-bilder förvärvade av ett fantom. Rad 1: Högupplösande anatomiska T1-vägda bildaxialskivor med sina positioner indikerade av blå linjer på en sagittalskiva till höger (ses också i varje följande rad). På sagittalplanet är elektrodpositionerna illustrerade Rankad i vitt. Rad 2: T2 * -viktiga ekosplana bildskivor, med magenta pilar som indikerar signalavbrott och förvrängning på grund av elektroder och / eller elektrodgel. På sagittalplanet visas positioneringen av motsvarande volym som en överläggning (ses också i varje följande rad). Rad 3: Bullerbildsskivor som förvärvats med fMRI-experimentella parametrar och ingen RF-exciteringspuls, medan tACS-inställningen är på plats och slås på, men inte stimulerande. Rad 4: Ingen RF-excitationsbild som förvärvas med tACS-inställningen på plats och stimulator på och stimulerande vid 16 Hz. Rad 5: TSNR-karta beräknad utifrån data som erhölls med tACS-inställningen på plats och aktiverad men inte stimulerande. Rad 6: TSNR-karta beräknad från data som förvärvats med tACS-inställningen på plats och stimulerande vid 16 Hz. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Figur 3: Kvalitetsbedömning MR Bilder förvärvad av ett ämne. Rad 1: Högupplösande anatomiska bildaxialskivor med sina positioner som indikeras av blå linjer på en sagittalskiva till höger (ses i varje rad). Elektroderpositioner illustreras i vitt på sagittalvyn. Row 2: T2 * -viktade ekokortiga bildskivor som inte visar någon signalavbrott på grund av elektroder och / eller elektrodgel. På sagittalplanet visas positioneringen av motsvarande volym som en överläggning (ses också i varje följande rad). Rad 3: TSNR-karta beräknad från data som förvärvats med tACS-inställningen på plats och aktiverad men inte stimulerande. Rad 4: TSNR-karta beräknad från data som förvärvats med tACS-inställningen på plats och stimulerande vid 16 Hz. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Signalavfall på grund av en förorenad elektrod. Skivor från en fMRI-volym som förvärvats av ett ämne med en förorenad elektrod placerad ungefär över handskruven på motorcortexen. Röda cirklar indikerar områden under elektroden med signalavbrott. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Effekt av strömstyrka på tACS-modulering av BOLD-signalen. ( A ) F-poängskartor Visar huvud effekten av strömstyrkan på effekten av 16 Hz tACS. En signifikant huvudverkan av strömstyrkan i en enkelriktad rANOVA [inom Faktor: strömstyrka (500, 750, 1000, 1500 μA)] är uppenbar. Plottarna visar den händelsemärkta genomsnittliga tiden för BOLD-signalen för tACS-on-perioderna för varje strömstyrka. Skuggade regioner indikerar standardfel av medelvärdet över ämnena. MedialFG = medial frontal gyrus, IPS = intraparietal sulcus, IFG = inferior frontal gyrus, PrC = precentral gyrus, L = vänster, R = höger, * kluster inte korrigerad för multipla jämförelser. ( B ) T-score-kort som visar BOLD-aktivitet ändras under 16 Hz tACS för varje strömstyrka. Ingen signifikant effekt hittades med 500 μA tACS. LH = vänstra halvklotet; RH = höger halvklot. Denna bild har modifierats från Cabral-Calderin et al. 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Figur 6: Effekt av tACS på BOLD-signalen i en visuell uppfattningsuppgift. ( A ) Schematisk representation av experimentet. Visuell stimulans och tACS applicerades i en blockdesign, med 30 s on-off tACS-block som uppstod under 120 sek block av visuell stimulanspresentation. Varje frekvens testades i en annan session. SfM = struktur-från-rörelse. ( B ) TACS-tillstånd och frekvensinteraktionseffekt. F-statistiska kartor som visar betydelse i tvåvägs rANOVA [inom faktorer: tACS (på, av), frekvens (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] och beta-estimat för två representativa kluster i post-central gyrus. Kontinuerliga linjer och svarta asterisker markerar signifikanta skillnader för post-hoc-jämförelser för tACS-interaktionseffekter på 10 Hz mot 60 Hz och 10 Hz mot 80 Hz, och röda asterisker medför en signifikant skillnad för tACS jämfört med post-hoc-test. PoC = postcentral gyrus, IPS = intraparietal sulcus. ( C ) T-poäng Karta över 60 Hz tACS. Betydande skillnader jämförande 60 Hz tACS mot versus av. Denna bild har skrivits ut från Cabral-Calderin et al. 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Discussion
Här har vi beskrivit proceduren för ett simultant tACS-fMRI-experiment setup och körning med ett MR-kompatibelt tACS-system. Några steg i denna procedur kräver särskild uppmärksamhet, särskilt med avseende på ämnesinstallationen. Den MR-kompatibla stimulatorn och inställningen som används i detta experiment har en minsta impedans på ca 12 kΩ endast med kablar, filterkasser och elektroder och tillverkaren rekommenderar 20 kΩ minsta impedans med elektroder anslutna till motivet. Detta krav beror på stimulatorprodukt och tillverkare. När elektroderna appliceras på motivet, om impedansen är för hög, kan vissa steg vidtas för att minska detta värde bortsett från att trycka på elektroderna. Det kan till exempel vara lättare att först täcka de markerade och rengjorda platserna i hårbotten med elektrodgel, inklusive håret, innan du trycker på elektroden på hårbotten. Detta kommer att säkerställa att nuvarande spridning över det icke ledande materialet dock,Var försiktig med att begränsa elektrodgeldäckningen till ungefär samma ytarea som elektroderna till likström spridas till önskat stimuleringsområde. Var särskilt uppmärksam på detta om elektroderna är nära varandra, eftersom strömavstängning mellan elektroderna kan ske genom överskott av elektrodgelkontakt. Om elektroden befinner sig på baksidan av huvudet där ämnet kommer att ligga direkt på det, måste särskild försiktighet göras för att placera kuddar bakom huvudet så att ämnet inte blir obehagligt när försöket fortsätter. Detta obehag kan inte vara ett problem för patienten, men erfarenheten visar att smärta uppstår och ökar med tiden. Dessutom, som med alla fMRI-experiment, introducerar subjektiv rörelse problematiska confounds, så det är viktigt att motivet är bekvämt med alla kablar och elektroder på plats.
Den viktigaste aspekten av installationen att överväga är det buller som potentiellt introduceras iTill MR-miljön som kan inducera bildartefakter och snedvridningar. Före experimentet är det klokt att testa för bildartefakter med hela tACS-inställningen på plats. Ett normalt sfäriskt fantom kan användas, vilket säkrar elektroder med elektrodgel. Det är viktigt att tillhandahålla något sätt för strömmen att röra sig mellan elektroder, vilket kan åstadkommas genom att applicera en generös mängd elektrodgel i en väg från en elektrod till den andra. Kör hela experimentet, som planerat för ämnet, inklusive parametervariationer som frekvens och ström. Under skanningssessionen möjliggör justering av kontrast och fönstret till ytterligheter i bildvisaren på MR-skannerns kontrolldatorn enklare visuell detektering av ljud. När man visuellt övervakar buller före och under experimentet kan brus inträffa som piggar i bilden med hög intensitet, mönster där signalen inte bör mätas eller varierande intensitet över tid, som exempel. Förvärvning av fMRI-data med RF excitatioN-puls avstängd ger information om skannerens miljöljud under skanning utan att förvärva den faktiska bildsignalen (se figur 2 ). Detta brusprov kan göras i varje skanningssession. Om det finns variationer i bruset, kontrollera att alla kablar är intakta och väl anslutna till stimulator, elektroder och filterlåda. Inga kablar ska sitta i slingor. Buller eller snedvridning kan uppstå av trasiga kablar, elektroder med metallföroreningar i gummit (trots att de säljs som MR-kompatibla) och felaktiga anslutningar, bland andra möjligheter. Stimulatorn är batteridriven för att minimera det elektriska bruset i installationen. Se till att det är fulladdat före varje experiment och att det stannar kvar och ansluts under experimentet. TSNR i funktionella bilder kommer att minska cirka 5% med stimulatorn ansluten, men värdena bör vara stabila över stimuleringsförhållandena 22 . Samtidig transkraniell elektrisk stimulering-fMRI test oN cadavers har visat att det inte finns några artefakter associerade med växelströms stimulering, vilket är en fördel jämfört med likströmsstimulering 30 . Teoretiskt kan denna brist på artefakter förklaras av en nettoström av noll vid den tid bilden förvärvas 30 . För vissa av de experiment som utförs i vårt laboratorium är emellertid förvärvstiden eller TR inte ett multipel av stimuleringsfrekvensen. Efter att ha utfört de bullerprov som nämns i detta protokoll och undersöker bilder för artefakter, som inte var synliga, kom vi fram till att någon skillnad i nätström från noll är liten och för försumbar att framkalla artefakter.
En annan kritisk punkt för framgångsrika experiment är att presentationsdatorn mottar avtryckaren från scannern och att stimulatorn tar emot avtryckaren från presentationsdatorn. Före experimentet programmera du visuell stimulansdesign och timing med hjälp av thE önskad programvara. Detta program måste använda triggers för att synkronisera visuell stimulanspresentation med MR-scannern och stimulatorn; Det initieras med en utlösare som matas ut från MR-skannern och skickar också utmatningsutlösare till stimulatorn vid önskade stimuleringstider. Ett enkelt sätt att kontrollera utlösningskommunikation under installationen är att använda ett oscilloskop som är fäst med en BNC-kabel till scannerns utlösningsutgång samt presentationsdatorns utgång. I vår inställning matar MR-skannern en utlösare (växla) för varje funktionsvolym som förvärvas, och presentationsdatorn matar ut en signal som programmeras via presentationsprogrammet. Analysen av ett välformat experiment ligger kritiskt på ordentligt stimulerad stimulering.
Några steg i detta experiment kan anpassas efter behov för laboratorieinställningskraven. Till exempel beskriver denna inställning med en projektor och speglar för visuell stimulanspresentation, dock den visuella stimulansenTput-enheten kan vara MR-säker flytande-kristall-skyddsglasögon eller en MR-säker monitor, vald utifrån experiment och laboratoriepreferenser eller begränsningar. MRI-skanparametrar bör också skräddarsys för experimentet. Det är värt att notera att man bör uppmärksamma lämpligt val av experimentell kontroll för tACS, även om ett enkelt svar inte existerar. En kort skamstimulering av 30 sekunder kan efterlikna den somatosensation som induceras av tACS som i slutändan minskar med långvarig stimulering; Vissa studier visar dock att även korta stimuleringsstimuler kan inducera oscillatorisk entrainment 12 . En annan möjlig kontroll som kan användas för tACS är att stimulera att använda en icke-effektiv frekvens, eller med andra ord en annan frekvens än den som är intresserad. Undantaget här skulle vara att somatosensation och fosfensuppfattning varierar beroende på stimuleringsfrekvensen 31 . Slutligen beträffande subjektiva upplevelser av stimTacS-inducerade fosfener varierar mellan individer, så för att bäst fånga ämnesvariationen bör du överväga att använda ett detaljerat klassificeringssystem för fosfensuppfattning och spendera tid med ämnet som beskriver de olika egenskaperna hos fosfener ( t.ex. placering, intensitet) som Kan uppstå så att ämnet kan noggrant utvärdera sin eller hennes erfarenhet under stimulering 32 , 33 .
De representativa resultaten som visas här tyder på att tACS-effekterna är aktuella beroende, frekvensberoende och att moduleringen inte är begränsad till regionerna under elektroderna, men sträcker sig till avlägset, troligen funktionellt anslutna regioner. En begränsning av denna teknik är den tidsmässiga upplösningen av fMRI såväl som av BOLD-svaret. Datainsamlingen och det hemodynamiska svaret är inte så fort som stimulansfrekvensen eller den elektriska aktiviteten i hjärnan, så direkta interaktioner med frekvensen-specifika effekter av tACS kan inte mätas. Med tanke på att den största delen av vetenskaplig litteratur om tACS-effekter är av beteendestudier och att tACS uppenbarligen påverkar ett helt komplicerat neuralt system är det uppenbart att samtidiga tACS-fMRI-experiment har mycket att erbjuda för att informera oss om tACS-effekter i hjärnan. EEG och MEG erbjuder insikter på nivån av tidsmässiga upplösningar som matchar neurala aktivitetsnivåer. EEG och MEG lider emellertid av rumsupplösning och kortikala djupbegränsningar eller beräkningsmässigt intensiva källrekonstruktionstekniker. Stimuleringsfrekvens och harmoniska artefakter som överväger hjärnsignaler av intresse som registreras vid samma frekvenser komplicerar ytterligare EEG- och MEG-analyser. Innovativa lösningar har tillämpats för att ta itu med några av dessa utmaningar. Helfrich et al. Anställde en ny teknik för att avlägsna tACS-artefakt från EEG-data med användning av en artefaktmall-subtraktion och principkomponentanalys 15 34 . Med målet att tillämpa tACS i forskning för att bättre förstå normal och onormal hjärnfunktion, och så småningom kliniskt för diagnostik eller terapi, bör tACS kombineras separat med EEG, MEG och fMRI för att komplementärt upprätta bästa praxis för specifika önskade effekter som kan skräddarsys Specifikt till individer. När sådana metoder etableras kan effektiva undersökningar genomföras för att bättre förstå funktionen hos neurala svängningar ( t.ex. tydligt definierande funktionella roller och relationer hos olika frekvensband) och deras modulering med tACS (T ex om mekanismen uppstår genom entrainment eller plastförändringar 35 ).
Med tanke på framtida riktningar är den inställning som beskrivs här skräddarsydd för fMRI-experiment som studerar uppfattningen eller kognitionen, som den struktur-from-motion-studie som beskrivits här och andra har visat. Cabral-Calderin och kollegor visade att aktivering i områden av den occipitala cortexen var beroende av uppgift och tACS-frekvens i ett video-tittande jämfört med fingeravtrycksexperiment 22 . I en samtidig tACS-vilande tillstånd fMRI-studie visade Cabral-Calderin och kollegor frekvensberoende effekter av tACS på inbyggda funktionella anslutningar och vilolägesnät 23 . Vosskuhl et al . Kombinerad tACS och fMRI för att visa BOLD minskning under en visuell vaksamhet uppgift vid individuell alfa frekvens stimulering 24 . Alekseichuk och kollegor visade att omedelbara efterverkningar av 10 Hz tACS modulerar BOLD-signalen under en visuell uppfattning av rutiga ringar och kilar, vilket indikerar en förändring i neuralt metabolism av en passiv uppfattningsuppgift 36 . Dessa studier satte scenen för samtidiga tACS-fMRI-studier att undersöka funktionella mekanismer på många nivåer, från metabolism till kognition. På ett så tidigt stadium i användningen av tACS för translationell forskning finns det stor potential för simultana tACS-fMRI-experiment för att öka förståelsen för både stimuleringstekniken och oscillationsens bidrag till kognitiva funktioner.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Ilona Pfahlert och Britta Perl för tekniskt bistånd vid funktionella bildanalyser och Severin Heumüller för utmärkt datorstöd. Detta arbete stöddes av Herman och Lilly Schilling Foundation och Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (CNMPB).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| None | |||
| DC-Stimulator MR | NeuroConn, Ilmenau, Germany | includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications. | |
| 3 tesla Tim Trio MR scanner | Siemens, Erlangen, Germany | ||
| presentation computer | |||
| presentation software (e.g.;, Matlab) | The Mathworks, Natick, USA | ||
| shielded LAN cable | |||
| projector | InFocus Corporation, Wilsonville, USA | IN-5108 | |
| Ten20 Electrode Paste | Weaver and Co., Aurora, USA | ||
| EEG cap - EASYCAP 32-channel system | Brain Products GmbH, Germany | ||
| tape measure | |||
| marker | |||
| pillows | |||
| button response box | Current Designs, Philadelphia, USA | ||
| isopropyl alcohol | |||
| cotton pads | |||
| tape | |||
| MR-safe sand bags | Siemens, Erlangen, Germany | ||
| MR-safe mirrors | Siemens, Erlangen, Germany | ||
| MR-safe screen | can be built in local machine shop to fit site-specific parameters | ||
| E-A-Rsoft ear plugs | 3M, Bracknell, UK |
References
- Thut, G. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12 (12), e1002032 (2014).
- Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving Oscillatory Activity in the Human Cortex Enhances Motor Performance. Current Biology. 22 (5), 403-407 (2012).
- Jausovec, N., Jausovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).
- Laczo, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain stimulation. 5 (4), 484-491 (2012).
- Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Wilke, M. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (7), 1298-1307 (2015).
- Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).
- Brittain, J. S., Probert-Smith, P., Aziz, T. Z., Brown, P. Tremor Suppression by Rhythmic Transcranial Current Stimulation. Current Biology. 23 (5), 436-440 (2013).
- Sabel, B. A., et al. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29 (6), 493-505 (2011).
- Fedorov, A., Chibisova, Y., Gall, C., Sabel, B. A. Non-Invasive Alternating Current Stimulation Induces Recovery From Stroke. Brain Injury. 26 (4-5), 634 (2012).
- Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing. Journal of Neuroscience. 30 (45), 15067-15079 (2010).
- Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Front Hum Neurosci. 7, 687 (2013).
- Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum Neurosci. 7, 279 (2013).
- Alagapan, S., et al. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14 (3), e1002424 (2016).
- Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
- Neuling, T., Zaehle, T., Herrmann, C. Simultaneous recording of EEG and transcranial electric stimulation. International Journal of Psychophysiology. 77 (3), 312 (2010).
- Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5 (11), e13766 (2010).
- Neuling, T., et al. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
- Ruhnau, P., Keitel, C., Lithari, C., Weisz, N., Neuling, T. Flicker-Driven Responses in Visual Cortex Change during Matched-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation. Front Hum Neurosci. 10, 184 (2016).
- Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , 89-98 (2016).
- Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , 110-117 (2016).
- Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial alternating current stimulation affects the BOLD signal in a frequency and task-dependent manner. Hum Brain Mapp. 37 (1), 94-121 (2016).
- Cabral-Calderin, Y., Williams, K. A., Opitz, A., Dechent, P., Wilke, M. Transcranial alternating current stimulation modulates spontaneous low frequency fluctuations as measured with fMRI. Neuroimage. 141, 88-107 (2016).
- Vosskuhl, J., Huster, R. J., Herrmann, C. S. BOLD signal effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) in the alpha range: A concurrent tACS-fMRI study. Neuroimage. 140, 118-125 (2016).
- Krause, B., Cohen Kadosh,, R, Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 8 (25), (2014).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).
- Nitsche, M. A., et al. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114 (11), 2220-2222 (2003).
- Poeppl, T. B., et al. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36 (6), 2374-2386 (2015).
- Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial Alternating Current Stimulation Affects the BOLD Signal in a Frequency and Task-dependent Manner. Human Brain Mapping. 37 (1), 94-121 (2016).
- Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85 (Pt 3), 1040-1047 (2014).
- Turi, Z., et al. Both the cutaneous sensation and phosphene perception are modulated in a frequency-specific manner during transcranial alternating current stimulation. Restor Neurol Neurosci. 31 (3), 275-285 (2013).
- Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clinical Neurophysiology. 121 (9), 1551-1554 (2010).
- Schutter, D. J., Hortensius, R. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (7), 1080-1084 (2010).
- Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , (2015).
- Vossen, A., Gross, J., Thut, G. Alpha Power Increase After Transcranial Alternating Current Stimulation at Alpha Frequency (alpha-tACS) Reflects Plastic Changes Rather Than Entrainment. Brain Stimul. 8 (3), 499-508 (2015).
- Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. , (2015).
