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Behavior

Stimulation du courant alternatif transcrânien simultané et imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Published: June 5, 2017 doi: 10.3791/55866
Automatic Translation
1, 1,3, 1, 1,2, 1, 1,3,4
1Department of Cognitive Neurology, University Medicine Goettingen, 2Department of Neurology, University Medicine Goettingen, 3German Primate Center, Leibniz Institute for Primate Research, 4DFG Center for Nanoscale Microscopy & Molecular Physiology of the Brain (CNMPB)

Summary

La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une étude non invasive des oscillations cérébrales, bien que ses effets ne soient pas complètement compris. Cet article décrit une configuration sûre et fiable pour l'application de TACS simultanément avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ce qui peut augmenter la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire et des effets des TACS.

Abstract

La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une investigation non invasive des oscillations cérébrales. Le TACS utilise une stimulation spécifique de la fréquence du cerveau humain par le courant appliqué au cuir chevelu avec des électrodes de surface. La connaissance la plus récente de la technique est basée sur des études comportementales; Ainsi, la combinaison de la méthode avec imagerie cérébrale permet de mieux comprendre les mécanismes des TACS. En raison des artefacts électriques et de susceptibilité, la combinaison de TACS avec l'imagerie cérébrale peut être difficile, cependant, une technique d'imagerie cérébrale qui convient parfaitement pour être appliquée simultanément avec le TACS est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF). Dans notre laboratoire, nous avons combiné les TACS avec des mesures simultanées de fMRI pour montrer que les effets de TACS sont dépendants de l'état, du courant et de la fréquence, et que la modulation de l'activité cérébrale n'est pas limitée à la zone située directement sous les électrodes. Cet article décrit un ensemble sûr et fiablePour appliquer des TACS simultanément avec des études de travail visuel fMRI, qui peuvent prêter à la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire ainsi que les effets des TACS sur le cerveau.

Introduction

La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est une technique de stimulation cérébrale non invasive prometteuse pour étudier les oscillations neuronales et les fonctions cérébrales spécifiques à la fréquence chez les individus en bonne santé, ainsi que pour étudier et moduler les oscillations dans les populations cliniques 1 . En utilisant deux électrodes conductrices ou plus placées sur le cuir chevelu, des ondes sinusoïdales de courant faible (1-2 mA de pointe à crête) sont appliquées au cerveau à une fréquence souhaitée pour interagir avec les oscillations neuronales en cours. Les études TACS ont mesuré des modulations comportementales ou cognitives spécifiques à la fréquence et à la tâche, y compris, mais sans s'y limiter, la fonction motrice 2 , la mémoire de travail 3 , la somatosensation 4 et la perception visuelle 5 , 6 , 7 . L'application d'un courant alternatif de manière non invasive a également entraîné une fonctionnelleAmélioration des patients neurologiques, comme la réduction du tremblement dans la maladie de Parkinson 8 , l'amélioration de la vision dans la neuropathie optique 9 et l'amélioration du taux de relance vocale, sensorielle et motrice après l'AVC 10 . Malgré un nombre croissant d'études utilisant des TACS pour la recherche et la preuve de son potentiel thérapeutique dans des contextes cliniques, les effets de cette technique ne sont pas complètement caractérisés et leurs mécanismes ne sont pas complètement compris.

Les simulations et les études sur les animaux peuvent donner un aperçu des effets de la stimulation à courant alternatif au niveau du réseau cellulaire ou neuronal dans des conditions contrôlées 11 , 12 , mais compte tenu de l'état de dépendance des techniques de stimulation efficaces 13 , 14 , ces études ne révèlent pas l'image entière . Combinaison de TACS avec des techniques de neuroimagerieComme l'électroencéphalographie (EEG) 15 , 16 , 17 , la magnétoencephalographie (MEG) 18 , 19 , 20 , ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 peuvent informer sur la modulation au niveau des systèmes de la fonction cérébrale. Cependant, chaque combinaison comporte des défis technologiques, principalement en raison des artefacts induits par stimulation dans la mesure des fréquences d'intérêt 15 . Bien que la résolution temporelle de l'IRMF ne puisse pas correspondre aux mesures EEG ou MEG, sa couverture spatiale et sa résolution dans les régions corticales et sous-corticales du cerveau sont supérieures.

Récemment, dans une étude tACS-fMRI combinée, nous avons montré que les effets des tACS sur le niveau d'oxygénation du sang dLe signal épuisé (BOLD) mesuré avec l'IRFF est à la fois spécifique à la fréquence et à la tâche, et que la stimulation n'exerce pas nécessairement son plus grand effet directement sous les électrodes, mais dans des régions plus éloignées des électrodes 22 . Dans une étude suivante, nous avons étudié l'effet de la position et de la fréquence de l'électrode TACS sur la fonction du réseau en utilisant l'amplitude des fluctuations de basse fréquence et de la connectivité fonctionnelle de l'état de repos, y compris l'utilisation de graines de corrélation des régions les plus directement stimulées, dérivées de la densité de courant Des simulations. Plus particulièrement dans cette étude, la stimulation alpha (10 Hz) et gamma (40 Hz) a souvent suscité des effets opposés dans la connectivité réseau ou sur la modulation régionale 23 . De plus, le réseau d'état de repos qui a été le plus affecté était le réseau de contrôle fronto-pariétal gauche. Ces études mettent en évidence le potentiel d'utilisation de l'IRFF pour déterminer les paramètres optimaux pour une st efficace et contrôléeMulation. En outre, ils contribuent à prouver que, en dehors des paramètres contrôlés, tels que l'état et le moment de la tâche, la fréquence de stimulation et les positions des électrodes, il existe des facteurs spécifiques à la matière qui influent sur le succès des TACS. Des exemples de caractéristiques de sujet qui se traduisent en variables incontrôlables dans l'optimisation des paramètres de stimulation sont la connectivité fonctionnelle intrinsèque, la fréquence de pointe de l'oscillation endogène ( par exemple , la fréquence alpha individuelle) et l'épaisseur du crâne et de la peau 25 . Compte tenu de la littérature actuelle relative aux TACS, d'autres études combinant des TACS avec des mesures neurales telles que la neuroimagerie sont nécessaires pour établir des procédures complètes pour des techniques efficaces de stimulation cérébrale.

Nous décrivons ici une configuration sûre et fiable pour les expériences appliquant des tACS simultanément avec l'IRMF d'une tâche visuelle, en mettant l'accent sur les aspects de la configuration et de l'exécution qui produisent un TAC synchronisé avec succèsS avec l'acquisition sans artifices de données fMRI.

Protocol

Effectuer toutes les expériences conformément aux directives du comité d'éthique institutionnelle. Pour toutes les études mentionnées dans ce manuscrit, toutes les procédures ont été effectuées selon la déclaration d'Helsinki et approuvées par le Comité d'éthique local du Centre médical universitaire de Göttingen.

1. Estimation et configuration de l'ordinateur avant l'expérience

  1. Configuration du stimulateur
    REMARQUE: Le stimulateur utilisé pour cette expérience fMRI est un système spécialement conçu pour la résonance magnétique (MR), équipé d'une boîte de filtre interne MR-safe, d'une boîte de filtre extérieure, de résistances de sécurité, de câbles couplés et de matériaux MR-safe. Certaines instructions concernent spécifiquement les instructions du fabricant, et cela peut varier en cas d'utilisation d'un autre stimulateur, alors prenez soin de suivre les instructions fournies par le fabricant qui peuvent constituer des exceptions à cette configuration. La figure 1A montre le stimulateurComposants utilisés dans cette configuration expérimentale.
    1. Naviguez dans le menu du stimulateur pour programmer les paramètres expérimentaux souhaités (reportez-vous au manuel de l'utilisateur pour plus de détails). Par exemple, pour une fréquence de stimulation de 10 Hz, programmez 10 cycles pour un temps de montée / descente de 1 s, 300 cycles sinusoïdaux pour 30 s de stimulation, une résistance de courant égale à 1000 μA et un mode de déclenchement répétitif, tel que réalisé pour notre Sauf indication contraire. Enregistrez le programme à charger pour chaque fois que l'expérience est exécutée par la suite.
    2. Connectez la sortie de déclenchement de l'ordinateur de présentation de stimulation au stimulateur à l'aide d'un câble BNC.
    3. Placez un câble de réseau local (LAN) blindé non magnétique à travers le tube de guide d'ondes à fréquence radio (RF) de l'intérieur de la chambre du scanner. Pour éviter un couplage capacitif résonnant, assurez-vous que le câble est libre de boucles et placé le long de la paroi de la pièce, conduisant à l'arrière de l'alésage de l'aimant et le long du rail de lit du scanner côté droitG à l'intérieur de l'alésage, conduisant à la position du boîtier de filtre intérieur (voir Figure 1C et note de sécurité à l'étape 2.4 concernant la position du câble). Fixez le câble avec une bande placée de façon intermittente sur toute sa longueur.
  2. Chargez le programme de stimulation visuelle sur un ordinateur de présentation désigné qui est séparé de l'ordinateur de contrôle du scanner. Comme représenté sur la figure 1C , connectez l'ordinateur de présentation à la sortie de déclenchement du scanner via un convertisseur optique-électrique et à un périphérique de sortie ( c'est-à-dire un projecteur) placé dans un boîtier blindé ou à l'extérieur de la salle à aimants. Utilisez des rétroviseurs non magnétiques pour diriger la projection sur un écran à l'intérieur de l'alésage du scanner.

2. Sujet Arrivée et préparation

  1. Le pré-écran a recruté des sujets pour toute contre-indication pour la radiographie ( p. Ex. , Pas d'implants métalliques, pas de claustrophobie, conditions préalables à l'expérience)Ainsi que pour les TACS ( p. Ex . Histoire des convulsions, maux de tête chroniques, grossesse) 26 , 27 .
  2. Lorsque le sujet arrive, indiquez le sujet sur les détails de l'expérience de l'IRMF et décrivez l'expérience à attendre ( p. Ex . Stimulus visuel, picotements ou phosphines des TACS, instructions spéciales pour les tâches).
  3. Placez les électrodes selon le système 10-20 EEG et la préparation du stimulateur.
    1. À l'aide d'un ruban à mesurer, mesure la distance sur la tête du sujet de la nasion à l'inion, et de l'oreille à l'oreille, sur le dessus de la tête. L'intersection des deux longueurs donne la position sur la tête pour Cz, selon le système 10-20 EEG. Marquer l'endroit pour Cz sur le cuir chevelu à l'aide d'un marqueur.
    2. Placez un bouchon EEG sans électrodes sur la tête du sujet, avec Cz aligné sur la marque sur le cuir chevelu du sujet, déterminez l'emplacement souhaité des électrodes et marquez-les.
      NE PASE: Il est important que tous les expérimentateurs utilisent le même système de placement pour assurer la cohérence à travers toutes les expériences; Le système 10-20 EEG, qui est couramment utilisé dans les expériences de stimulation transcrânienne, a des directives spécifiques pour maintenir un positionnement correct des électrodes 26 , 28 .
    3. À l'aide d'alcool et de coton, nettoyez les cheveux et la peau sur et autour des taches marquées sur le cuir chevelu du sujet; Éliminer les huiles et les produits capillaires.
    4. Étaler du gel sur les électrodes en caoutchouc et presser chaque électrode fermement sur les emplacements marqués et nettoyés sur le cuir chevelu du sujet, en assurant un contact complet de l'électrode au gel conducteur au cuir chevelu avec une impédance minimale.
    5. À l'aide d'un câble LAN blindé de secours, connectez les boîtiers de filtre et les câbles MR-safe au stimulateur et aux électrodes en caoutchouc décrites à la figure 1A .
    6. Allumez le stimulateur et testez l'impédance (référez-vous à l'utilisateurManuel pour plus de détails). Si l'impédance n'est pas inférieure à 20 kΩ, appuyez sur les électrodes sur le cuir chevelu ou ajoutez le gel d'électrode si nécessaire jusqu'à ce que cette directive d'impédance soit respectée.
    7. Lorsque l'impédance est inférieure à 20 kΩ, permet au stimulateur de sortir le courant pendant quelques secondes pour familiariser le sujet avec l'expérience sensorielle. Demandez au sujet de la perception sensorielle pendant ce test, y compris si la sensation de picotement existe et peut être résistée, et l'étendue ou l'emplacement des phosphènes pendant la stimulation.
    8. À ce stade, le sujet est prêt à passer au lit du scanner. Laisser le câble d'électrode branché sur les électrodes en caoutchouc sur le sujet, déconnecter le stimulateur, le câble LAN de rechange et les boîtiers de filtre extérieurs et intérieurs.
    9. Connectez le boîtier de filtre extérieur au câble LAN qui traverse le guide d'onde au scanner MR, laissant le plus petit câble LAN exposé à l'extérieur du guide d'onde (voir Figure 1B ). Connectez leStimulateur à la boîte de filtre externe en utilisant le câble du stimulateur et vérifiez que le stimulateur est connecté à la sortie de déclenchement de l'ordinateur de présentation.
  4. Préparez le sujet à l'intérieur du scanner MR.
    REMARQUE: la figure 1C montre la configuration complète de tACS-fMRI pendant l'expérience. Il est essentiel d'organiser les câbles et le boîtier de filtre intérieur comme spécifié, le câble d'électrode étant disposé à un angle d'environ 90 ° par rapport au plan du lit du scanner et le boîtier de filtre interne reposant sur le rail du lit du scanner sur le côté droit du scanner ennuyer. La négligence de le faire peut endommager le circuit de sécurité du câble d'électrode; Cette configuration s'applique aux bobines RF ouvertes et fermées.
    1. Après avoir veillé à ce que le sujet soit exempt de matériaux magnétiques et prêt pour l'expérience IRM, diriger le sujet dans la salle du scanner.
    2. Donner des bouchons d'oreille pour la protection auditive sur le sujet, et demander au sujet de mentirSur le lit du scanner, placer les oreillers autour et sous la tête et sous les jambes pour plus de confort et pour réduire les mouvements. Lorsque vous placez les oreillers derrière la tête du sujet, faites attention pour poser le câble de l'électrode à plat et dans une position confortable pour le sujet allumé pendant toute la durée de l'expérience.
    3. Donner la boite d'alarme et la boîte de bouton de réponse MR-safe au sujet pour que le mouvement minimal soit nécessaire pour appuyer sur un bouton pour répondre à l'expérience.
    4. Fixez la bobine de tête RF sur la tête du sujet avec un miroir attaché de telle sorte que le sujet puisse voir l'écran de projection reflété dans l'orientation correcte.
    5. Fixez temporairement l'extrémité libre du câble d'électrode provenant des électrodes en caoutchouc à un endroit dans la bobine de tête de sorte qu'il ne s'accroche pas lorsque le lit se déplace. La figure 1D montre la tête du sujet positionnée dans la bobine de tête avec des oreillers, un miroir et un câble tACS en place bAvant de déplacer le lit jusqu'à la tête centrale pour l'imagerie. La boîte de filtre est également affichée sur la rampe du compartiment du scanner, comme exemple de l'endroit où elle doit s'asseoir par rapport à la bobine de tête lorsque le lit du scanner est en position de mesure.
    6. Déplacez le lit du scanner en position de mesure. À partir de l'extrémité arrière de l'alésage du scanner, connectez le câble d'électrode des électrodes en caoutchouc au boîtier de filtre interne qui se connecte au câble LAN, comme indiqué sur la figure 1C . Pour éviter tout excès de mouvement pendant la numérisation, fixez les câbles et le caisson filtrant le long de la rampe du compartiment à la droite de l'alésage avec du ruban adhésif et des sacs de sable. Placez l'écran du projecteur dans l'extrémité arrière de l'alésage du scanner.
    7. Testez l'impédance sur le stimulateur une fois de plus pour vous assurer que toutes les connexions entre les câbles, les boîtes de filtre et le stimulateur sont correctement réalisées.

3. Numérisation et expérience RM

  1. Avant que l'analyse commence, testez queL'ordinateur de présentation enregistre lorsque le sujet pousse les boutons de réponse.
  2. Acquisition de données anatomiques à pondération T1 haute résolution ( p. Ex. , Tir à l'angle faible en turbo rapide en trois dimensions, temps d'écho (TE): 3.26 ms, temps de répétition (TR): 2,250 ms, temps d'inversion: 900 ms, angle de basculement 9 °, Résolution isotrope de 1 x 1 x 1 mm 3 ).
    1. Après l'acquisition, ajustez le contraste et la fenêtre sur l'IRM anatomique à des extrêmes bas et haut pour détecter visuellement le bruit pendant la numérisation qui peut résulter de la configuration du stimulateur. Continuez cette surveillance visuelle du bruit en même temps que l'acquisition d'image fonctionnelle.
  3. Commencez l'expérience sur l'ordinateur de présentation, prêt à commencer par le déclencheur du scanner, et lancez le stimulateur pour attendre le déclencheur de sortie de l'ordinateur de présentation. Laissez le stimulateur et connectez-vous tout au long de l'expérience fMRI afin d'éviter des différences dans le rapport signal / bruit temporel (tSNR) entre le stimulateurConditions d'activation et de désactivation 22 .
  4. Démarrez le balayage de l'IRMF ( p. Ex. , L'image écho-planaire à double gradient T2-epoque, TE: 30 ms, TR: 2 000 ms, angle de basculement 70 °, 33 tranches d'épaisseur de 3 mm, pas d'écart entre les tranches au Une résolution dans le plan de 3 x 3 mm 2 , 210 volumes pour sept minutes de balayage), qui déclenche le début de l'expérience sur l'ordinateur de présentation. Surveillez l'affichage du stimulateur pour garantir que le courant soit envoyé aux heures souhaitées tout au long des essais expérimentaux.

4. Conclusion de l'expérience

  1. Une fois que l'expérience a été exécutée et que la numérisation est terminée, débranchez la boîte de filtre interne du câble connecté aux électrodes en caoutchouc avant de déplacer le lit du scanner, retirez le sujet du scanner et retirez les électrodes, laissant le sujet libre pour laver les cheveux.
  2. Éteignez le stimulateur et branchez-le pour recharger. Nettoyez les électrodes en caoutchouc avec de l'eau pour leur nexT utiliser.

Representative Results

La figure 2 et la figure 3 montrent les images représentatives acquises pour les tests de bruit de l'équipement dans un sujet fantôme et chez un sujet humain, respectivement. Dans chaque rangée, la figure 2 et la figure 3 montrent des tranches axiales représentatives à partir d'un volume acquis ou d'une carte calculée, étiquetés en conséquence au-dessus de la rangée. L'image la plus à droite sur chaque rangée est une représentation sagittale du volume correspondant ou de la carte calculée, indiquant des emplacements en tranches axiales avec des lignes bleues. Mis à part la première rangée, qui illustre le placement des électrodes en blanc, le volume est superposé sur une image pondérée T1 dans chaque figure. Notez qu'il n'y a pas de distorsion ou de décrochage des signaux des électrodes dans les images pondérées T1. La deuxième rangée de la figure 2 montre les données représentatives d'IRM fonctionnelles acquises avec la configuration du TACS en place et tournéessur. Dans le fantôme de la figure 2 , notez qu'il y a un décalage de signal et une distorsion due aux électrodes, mais la rangée 2 de la figure 3 montre que ces distorsions ne s'étendent pas au-delà du cuir chevelu chez un sujet. Les lignes trois et quatre de la Figure 2 montrent les mesures de bruit dans le volume, qui sont acquises en utilisant les mêmes paramètres que les données fMRI, mais sans impulsion d'excitation RF. Les images montrent le niveau de bruit dans la salle du scanner et du matériel MR pendant la numérisation. La ligne trois est une mesure du bruit avec TACS désactivé, et la ligne quatre est une avec le TACS activé. Dans la cinquième et sixième rangées de la figure 2 , les cartes tSNR pour les opérations fonctionnelles avec la configuration TACS et le stimulateur sont activées et désactivées respectivement. Les cartes TSNR calculées à partir des données acquises dans le sujet humain apparaissent à la figure 3, les lignes trois, avec TACS off et quatre avec TACS. Remarquez qu'il n'y a pas de différence visibleEn intensité lors de la comparaison entre les conditions de stimulation. Comme nous l'avons démontré dans une étude antérieure, l'équipement TACS produit environ 5% de baisse de tSNR dans les images par rapport à celles acquises sans la configuration des tACS, mais le tSNR devrait rester stable par les conditions de stimulation et de désactivation 22 .

La figure 4 représente une série d'images qui démontre le décalage du signal qui peut se produire lorsque des électrodes non compatibles avec MR sont utilisées. Les tranches d'un volume d'IRMV acquis d'un sujet avec des électrodes qui peuvent avoir des contaminations métalliques montrent le décalage du signal au-dessous de l'électrode placée à peu près au cortex moteur primaire, comme indiqué par les cercles rouges.

La figure 5 montre les résultats d'une expérience testant les effets de la résistance actuelle des tACS Cz-Oz de 16 Hz sur le signal BOLD chez des sujets dont seul t Ask est la fixation croisée centrale. Tout au long de l'expérience, des périodes de 12 secondes de TACS ont été entrelacées avec des périodes de non-stimulation variant de 24 à 32 secondes. Dans un ordre pseudorandomisé, le tACS a été appliqué avec une résistance de courant différente (500 μA, 750 μA, 1000 μA, 1.500 μA) dans chacune des quatre séries. La figure 5A montre les moyennes liées à l'événement du signal BOLD pour les grappes statistiquement significatives, avec un effet croissant sur le signal BOLD avec une intensité de courant accrue. En outre, la figure 5B montre des cartes T-score spécifiques à la résistance actuelle illustrant la spécificité régionale des effets ainsi que l'augmentation de l'effet spatial avec une intensité de courant accrue. Il est également intéressant de noter que l'activité BOLD dans les régions frontales a été modifiée de manière significative, montrant que les modulations n'étaient pas toujours directement au-dessous des électrodes. Pour plus de détails, consultez Cabral-Calderin et ses collègues 22 .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> La figure 6 montre les résultats représentatifs d'une expérience testant la dépendance en fréquence des effets de TACS pendant une tâche de perception visuelle. Les sujets ont signalé la direction perçue d'une sphère rotative bistable. En même temps, le tACS a été appliqué avec des électrodes placées à Cz et Oz à l'une des trois fréquences de stimulation (10 Hz, 60 Hz ou 80 Hz) dans chacune des trois séances distinctes. La figure 6A illustre le temps d'expérience avec la présentation visuelle et les périodes TACS entre Blocs de fixation de la croix centrale. Les cartes d'interaction des effets de fréquence et de fréquence des TACS et les tests post-hoc de grappes montrent des effets spécifiques de la fréquence dans le cortex pariétal, avec un déclenchement de TACS de 10 Hz et un signal d'augmentation de 60 Hz ( Figure 6B ). La figure 6C montre le score T Les cartes des effets spécifiques des tACS de 60 Hz s'étendant au-delà du cortex pariétal pour inclure un occipiRégions frontales et frontales. Pour des détails sur l'expérience et l'analyse, se référer à Cabral-Calderin, et al. 22 .

Figure 1
Figure 1: Configuration TACS dans le Scanner. ( A ) Configuration de TACS avec tous les éléments nécessaires. Le stimulateur et les câbles sont connectés à l'extérieur de la pièce blindée MR. On y trouve également le cap EEG, le ruban à mesurer et le gel conducteur utilisé pour le placement des électrodes. ( B ) Boîte de filtre extérieur et stimulateur placé à l'extérieur de la chambre du scanner. Le câble LAN (non visible dans la figure) provient de la chambre du scanner à travers le tube du guide d'ondes RF et se connecte à la boîte de filtre extérieure, avec le plus petit câble LAN exposé à l'extérieur de la chambre du scanner. Le stimulateur doit être connecté à la boîte de filtre extérieure ainsi qu'au câble de sortie de déclenchement de l'ordinateur de présentation. ( C )Environnement du scanner avec configuration expérimentale. Déploiement de la configuration des TACS, y compris l'ordinateur de présentation, l'ordinateur du scanner et la sortie du déclencheur, et le projecteur. ( D ) Positionnement du sujet pour l'expérience. Les éléments importants incluent les oreillers, le placement des câbles, le miroir de visionnement et la bobine de tête. La boîte de filtre est placée sur le garde-boue du scanner comme exemple de placement à l'intérieur de l'alésage. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2: Évaluation de la qualité Images RM obtenues d'un fantôme. Ligne 1: tranches axiales anatomiques T1 à haute résolution avec leurs positions indiquées par des lignes bleues sur une tranche sagittale à droite (également vu dans chaque rangée suivante). Sur le plan sagittal, les positions des électrodes sont illustrées Noté en blanc. Rangée 2: sections d'image écho-planaires pondérées T2 *, avec des flèches magenta indiquant le décrochage du signal et la distorsion due aux électrodes et / ou au gel des électrodes. Sur le plan sagittal, le positionnement du volume correspondant est affiché comme une superposition (également vu dans chaque ligne suivante). Ligne 3: tranches d'image de bruit acquises avec des paramètres expérimentaux fMRI et pas d'impulsion d'excitation RF alors que la configuration tACS est en place et activée mais pas stimulante. Ligne 4: image d'excitation sans RF obtenue avec la configuration de TACS en place et stimulateur activé et stimulant à 16 Hz. Ligne 5: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration TACS en place et activée, mais pas stimulante. Ligne 6: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et stimulant à 16 Hz. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Figure 3: Évaluation de la qualité Images RM obtenues d'un sujet. Ligne 1: tranches axiales d'image anatomique haute résolution avec leurs positions indiquées par des lignes bleues sur une tranche sagittale à droite (comme on le voit dans chaque rangée). Les positions de l'électrode sont illustrées en blanc sur la vue sagittale. Les tranches d'image écho-planaire pondérées en ligne 2: T2 * ne montrent aucun décalage de signal dû à des électrodes et / ou un gel d'électrode. Sur le plan sagittal, le positionnement du volume correspondant est affiché comme une superposition (également vu dans chaque ligne suivante). Ligne 3: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et activée, mais pas stimulante. Ligne 4: carte TSNR calculée à partir des données acquises avec la configuration tACS en place et stimulant à 16 Hz. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.


Figure 4: Sortie du signal en raison d'une électrode contaminée. Des tranches d'un volume d'IRMV acquis d'un sujet à l'aide d'une électrode contaminée placée à peu près au-dessus du bouton-poussoir du cortex moteur. Les cercles rouges indiquent des régions en dessous de l'électrode avec un décalage du signal. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5: Effet de la force actuelle sur la modulation TACS du signal BOLD. ( A ) Cartes F-score montrant l'effet principal de la force actuelle sur l'effet des TACS de 16 Hz. Un effet principal significatif de la résistance actuelle dans un rANOVA à sens unique [dans Facteur: la résistance du courant (500, 750, 1 000, 1 500 μA)] est apparente. Les parcelles montrent le temps moyen moyen du signal BOLD pour les périodes de TACS pour chaque résistance actuelle. Les régions ombragées indiquent une erreur standard de la moyenne entre les sujets. MedialFG = gyrus frontal médian, IPS = sillon intrapariétale, IFG = gyrus frontal inférieur, PrC = gyrus précentrique, L = gauche, R = droite, * cluster non corrigé pour des comparaisons multiples. ( B ) Les cartes de T-score montrant les activités d'activité BOLD pendant les TACS de 16 Hz pour chaque force actuelle. Aucun effet significatif n'a été trouvé avec des TACS de 500 μA. LH = hémisphère gauche; RH = hémisphère droit. Cette image a été modifiée de Cabral-Calderin et al. 29 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Figure 6: Effet du tACS sur le signal BOLD dans une tâche de perception visuelle. ( A ) Représentation schématique de l'expérience. Le stimulus visuel et les TACS ont été appliqués dans une conception de blocs, avec des blocs de TACS de 30 secondes survenant au cours de blocs de 120 sec de présentation de stimulus visuel. Chaque fréquence a été testée dans une autre session. SfM = structure-de-mouvement. ( B ) Effet d'interaction de fréquence et de condition de TACS. Les cartes statistiques F montrant une signification dans le rANOVA bidirectionnel [dans les facteurs: tACS (activé, désactivé), fréquence (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] et des estimations bêta pour deux grappes représentatives dans le gyrus post-central. Les lignes continues et les astérisques noirs marquent des différences significatives pour les comparaisons post-hoc pour les effets d'interaction on-off TACS de 10 Hz contre 60 Hz et 10 Hz contre 80 Hz, et les astérisques rouges impliquent une différence significative pour les tests TACS versus off post-hoc. PoC = germe postcentral, IPS = sillon intrapariétal. ( C ) T-score Carte de 60 Hz TACS. Différences significatives comparant le TACS de 60 Hz contre le désactivé. Cette image a été réimprimée de Cabral-Calderin et al. 29 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Ici, nous avons décrit la procédure pour une configuration et une exécution simultanées de l'expérience TACS-fMRI à l'aide d'un système TACS compatible MR. Certaines étapes de cette procédure nécessitent une attention particulière, en particulier en ce qui concerne la configuration du sujet. Le stimulateur et la configuration compatibles avec MR utilisés dans cette expérience ont une impédance minimale d'environ 12 kΩ avec les câbles, les boîtes de filtre et les électrodes uniquement, et le fabricant recommande une impédance minimale de 20 kΩ avec des électrodes connectées au sujet; Cette exigence dépend du produit stimulant et du fabricant. Lors de l'application d'électrodes sur le sujet, si l'impédance est trop élevée, certaines mesures peuvent être prises pour réduire cette valeur en dehors de presser les électrodes. Par exemple, il peut être plus facile de couvrir d'abord les emplacements marqués et nettoyés sur le cuir chevelu avec un gel d'électrode, y compris les cheveux, avant de presser l'électrode sur le cuir chevelu. Cela assurera l'étalement du courant sur le matériau non conducteur; cependant,Veillez à limiter la couverture du gel d'électrode à approximativement la même surface que les électrodes pour diriger le courant vers la région de stimulation souhaitée. Faites attention à cela si les électrodes sont proches les unes des autres, car la dérivation actuelle entre les électrodes peut se produire à travers un contact excessif en gel d'électrode. Si l'électrode est à l'arrière de la tête où le sujet sera posé directement sur elle, il faut prendre soin de placer les oreillers derrière la tête de manière à ce que le sujet ne devienne pas mal à l'aise au fur et à mesure que l'expérience se poursuit; Cette gêne peut ne pas être un problème initialement pour le sujet, mais l'expérience montre que la douleur surgit et augmente avec le temps. En outre, comme pour toutes les expériences de l'IRMF, le sujet de la motion présente des problèmes problématiques, il est donc important que le sujet soit à l'aise avec tous les câbles et les électrodes en place.

L'aspect le plus important de l'installation à considérer est le bruit potentiellement introduit dansÀ l'environnement MR qui peut induire des artefacts et des distorsions d'image. Avant l'expérience, il est prudent de tester les artefacts d'image avec l'ensemble de la configuration du TACS en place. Un fantôme sphérique normal peut être utilisé, sécurisant les électrodes avec un gel d'électrode. Il est important de fournir un moyen pour que le courant se déplace entre les électrodes, ce qui peut être réalisé en appliquant une quantité généreuse de gel d'électrode dans un chemin d'une électrode à l'autre. Exécutez toute l'expérience, comme prévu pour le sujet, y compris les variations de paramètres telles que la fréquence et le courant. Au cours de la session de balayage, le réglage du contraste et de la fenêtrage à des extrêmes dans la visionneuse d'image sur l'ordinateur de contrôle du scanner MR permet une détection visuelle plus facile du bruit. Lors de la surveillance visuelle du bruit avant et pendant l'expérience, du bruit peut apparaître comme des pointes dans l'image avec une intensité élevée, des motifs où le signal ne doit pas être mesuré ou une intensité variable dans le temps, comme exemples. Acquérir des données fMRI avec l'excitation radiofréquenceN l'impulsion désactivée donne des informations sur le bruit de l'environnement du scanner lors de la numérisation sans acquérir le signal d'image réel (voir Figure 2 ). Ce test de bruit peut être effectué dans chaque session de numérisation. S'il y a des variations dans le bruit, vérifiez que tous les câbles sont intacts et bien connectés au stimulateur, aux électrodes et aux boîtes de filtre. Aucun câble ne devrait être placé dans les boucles. Le bruit ou la distorsion peuvent résulter de câbles brisés, d'électrodes avec des contaminants métalliques dans le caoutchouc (malgré leur compatibilité MR) et des connexions défectueuses, entre autres possibilités. Le stimulateur est alimenté par batterie pour minimiser les bruits électriques dans la configuration; Assurez-vous qu'il est complètement chargé avant chaque expérience et qu'il reste allumé et connecté tout au long de l'expérience. TSNR dans les images fonctionnelles diminueront autour de 5% avec le stimulateur connecté, cependant, les valeurs devraient être stables dans les conditions de stimulation 22 . Stimulation électrique transcrânienne simultanée - tests fMRI oN les cadavres ont montré qu'il n'y avait pas d'artefacts associés à une stimulation en courant alternatif, ce qui est un avantage par rapport à la stimulation à courant continu 30 . Théoriquement, ce manque d'artefacts peut s'expliquer par un courant net de zéro au moment de l'acquisition de l'image 30 . Toutefois, pour certaines des expériences menées dans notre laboratoire, le temps d'acquisition ou TR n'est pas un multiple de la fréquence de stimulation. Après avoir effectué les tests de bruit mentionnés dans ce protocole et en examinant les images pour les artefacts, qui n'étaient pas visibles, nous avons conclu que toute différence dans le courant net de zéro est faible et trop négligeable pour induire des artefacts.

Un autre point critique pour les expériences réussies est que l'ordinateur de présentation reçoit la sortie de déclenchement du scanner et que le stimulateur reçoit la gâchette de l'ordinateur de présentation. Avant l'expérience, programmez la conception et le moment de stimulation visuelle à l'aide deLe logiciel souhaité. Ce programme doit utiliser des déclencheurs pour synchroniser la présentation de stimulation visuelle avec le scanner MR et le stimulateur; Il démarre avec un déclencheur sorti du scanner MR et envoie également des déclencheurs de sortie au stimulateur aux moments de stimulation souhaités. Un moyen simple de vérifier la communication du déclencheur pendant l'installation est d'utiliser un oscilloscope attaché avec un câble BNC à la sortie de déclenchement du scanner ainsi que la sortie de l'ordinateur de présentation. Dans notre configuration, le scanner MR émet un déclencheur (bascule) pour chaque volume fonctionnel acquis, et l'ordinateur de présentation délivre un signal tel que programmé dans le logiciel de présentation. L'analyse d'une expérience bien conçue repose de manière critique sur une stimulation correctement programmée.

Certaines étapes de cette expérience peuvent être adaptées si nécessaire aux exigences de réglage du laboratoire. Par exemple, cette configuration décrit l'utilisation d'un projecteur et de miroirs pour la présentation de stimulation visuelle, mais le stimulus visuelLe périphérique de sortie peut être des lunettes d'affichage à cristaux liquides MR-safe ou un moniteur MR-safe, choisi en fonction de l'expérience et des préférences ou limitations de laboratoire. En outre, les paramètres de l'IRM doivent être adaptés à l'expérience. Il est intéressant de noter que l'on devrait accorder une attention particulière au choix approprié du contrôle expérimental pour les TACS, même si une réponse directe n'existe pas. Une courte stimulation simulée de 30 secondes peut imiter la somatosensation induite par les TACS qui diminue éventuellement avec une stimulation prolongée; Cependant, certaines études montrent que même de courtes périodes de stimulation peuvent induire un entraînement oscillant 12 . Un autre contrôle possible qui peut être utilisé pour le TACS est de stimuler l'utilisation d'une fréquence non efficace ou, en d'autres termes, d'une fréquence différente de celle d'intérêt. L'exception ici serait que la somatosensation et la perception du phosphène varient selon la fréquence de stimulation 31 . Enfin, en ce qui concerne les expériences subjectives de stimLes phosphènes induits par les TACS varient selon les individus, afin de mieux capter la variabilité du sujet, envisager d'utiliser un système de notation détaillé pour la perception du phosphène et passer du temps avec le sujet décrivant les diverses caractéristiques des phosphènes ( p. Ex . Emplacement, intensité) qui Peut surgir pour que le sujet puisse évaluer attentivement son expérience pendant la stimulation 32 , 33 .

Les résultats représentatifs indiqués ici suggèrent que les effets de TACS dépendent actuellement de la fréquence, dépendent de la fréquence et que la modulation n'est pas limitée aux régions situées sous les électrodes, mais s'étend à des régions éloignées et susceptibles d'être connectées fonctionnellement. Une limitation de cette technique est la résolution temporelle de l'IRMf ainsi que de la réponse BOLD. L'acquisition de données et la réponse hémodynamique ne sont pas aussi rapides que la fréquence de stimulation ou l'activité électrique du cerveau, donc les interactions directes avec la fréquenceLes effets spécifiques des tACS ne peuvent être mesurés. Cependant, étant donné que la plus grande partie de la littérature scientifique des effets de TACS est une étude comportementale, et que le TACS affecte évidemment un système neuronal complet et compliqué, il est clair que les expériences tACS-fMRI simultanées ont beaucoup à offrir pour nous informer des effets de TACS dans le cerveau. EEG et MEG offrent des idées sur le niveau des résolutions temporelles qui correspondent à celles de l'activité neuronale. Cependant, EEG et MEG souffrent de résolution spatiale et de limites de profondeur corticale ou de techniques de reconstruction de sources intensives de calcul. La fréquence de stimulation et les artefacts harmoniques qui remplacent les signaux cérébrales d'intérêt enregistrés aux mêmes fréquences compliquent encore les analyses EEG et MEG. Des solutions de rechange innovantes ont été appliquées pour relever certains de ces défis. Helfrich et al. A utilisé une nouvelle technique pour éliminer l'artefact de TACS des données EEG en utilisant une soustraction de modèle d'artefact et une analyse de composant de principe 15 34 . Dans le but d'appliquer les TACS dans la recherche pour mieux comprendre la fonction normale et anormale du cerveau, et finalement cliniquement pour le diagnostic ou la thérapeutique, les TACS devraient être combinés séparément avec l'EEG, le MEG et l'IRMF pour établir de manière complémentaire les meilleures pratiques pour les effets désirés spécifiques qui peuvent être adaptés Spécifiquement aux individus. Lorsque de telles pratiques sont établies, des enquêtes efficaces peuvent être réalisées pour mieux comprendre la fonction des oscillations neuronales ( par exemple , définir clairement les rôles fonctionnels et les relations de différentes bandes de fréquences) et leur modulation avec les TACS (Par exemple, si le mécanisme se produit par des entraînements ou des changements plastiques 35 ).

Compte tenu des orientations futures, la configuration décrite ici est adaptée aux expériences d'IRMF qui étudient la perception ou la cognition, car l'étude structure-de-mouvement décrite ici et d'autres l'ont démontré. Cabral-Calderin et ses collègues ont montré que l'activation dans les régions du cortex occipital dépendait de la tâche et de la fréquence des tACS dans une expérience de surveillance vidéo et de doigt 22 . Dans une étude simultanée sur l'IRFF à l'état de repos de TACS, Cabral-Calderin et ses collègues ont montré des effets dépendants de la fréquence des tACS sur la connectivité fonctionnelle intrinsèque et les réseaux d'état de repos 23 . Vosskuhl et al . Les tACS combinés et l'IRMF montrent BOLD diminuer lors d'une tâche de vigilance visuelle à la stimulation par fréquence alpha individuelle 24 . Alekseichuk et ses collègues ont montré que les effets secondaires immédiats de 10 Hz tACS modulent le signal BOLD lors d'une perception visuelle des anneaux et des coins à damier, ce qui indique un changement dans le métabolisme neuronal d'une tâche de perception passive 36 . Ces études ont préparé les études simultanées sur les IRCT-IRMF pour sonder les mécanismes fonctionnels à de nombreux niveaux, du métabolisme à la cognition. À un stade aussi précoce de l'utilisation des TACS pour la recherche translationnelle, il existe beaucoup de potentiel pour les expériences tACS-fMRI simultanées afin d'ajouter à la compréhension à la fois de la technique de stimulation et de la contribution des oscillations aux fonctions cognitives.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

Nous remercions Ilona Pfahlert et Britta Perl pour une assistance technique lors d'expériences d'imagerie fonctionnelle et Severin Heumüller pour un excellent support informatique. Ce travail a été soutenu par la Fondation Herman et Lilly Schilling et le Centre pour la microscopie à l'échelle nanométrique et la physiologie moléculaire du cerveau (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

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Stimulation du courant alternatif transcrânien simultané et imagerie par résonance magnétique fonctionnelle
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Williams, K. A., Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Weinrich, C. A., Dechent, P., Wilke, M. Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (124), e55866, doi:10.3791/55866 (2017).

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