Summary
Transcranial alternating current stimulation (tACS)은 뇌의 진동을 비 침습적으로 조사하는데 유망한 도구이지만 그 효과는 완전히 이해되지는 못합니다. 이 기사에서는 기능적 자기 공명 영상과 함께 tACS를 동시에 적용하는 안전하고 신뢰할 수있는 설정에 대해 설명합니다.이 기능을 통해 진동적 뇌 기능 및 tACS의 영향을 이해할 수 있습니다.
Abstract
Transcranial alternating current stimulation (tACS)은 뇌 진동의 비 침습적 조사를위한 유망한 도구입니다. TACS는 표면 전극이있는 두피에 전류를가함으로써 인간의 뇌에 주파수 별 자극을줍니다. 이 기술에 대한 최신 지식은 행동 연구를 기반으로합니다. 따라서 뇌 영상과이 방법을 결합하면 tACS의 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있습니다. 전기적 및 감수성 인공물 때문에 tACS와 뇌 영상을 결합하는 것은 어려울 수 있지만 tACS와 동시에 적용 할 수있는 뇌 영상 기술은 기능 자기 공명 영상 (fMRI)입니다. 우리 연구실에서는 tACS 효과가 상태, 전류 및 주파수에 따라 다르며 뇌 활동의 조절이 전극 바로 아래 영역에만 국한되지 않음을 보여주기 위해 tACS와 fMRI 동시 측정을 성공적으로 결합했습니다. 이 기사에서는 안전하고 신뢰할 수있는 세트에 대해 설명합니다.뇌에 tACS가 미치는 영향뿐만 아니라 진동 성 뇌 기능을 이해하는 데 도움이되는 시각 작업 fMRI 연구와 함께 tACS를 동시에 적용 할 수 있습니다.
Introduction
Transcranial alternating current stimulation (tACS)은 건강한 사람의 신경 진동과 주파수 특이성 뇌 기능을 연구하고 임상 집단의 진동을 연구하고 조절할 수있는 비 침습적 뇌 자극 기술입니다 1 . 두피 이상의 두 전도성 전극을 두피에 사용하여 저 전류 (1-2 mA peak-to-peak) 정현파를 원하는 주파수의 뇌에 적용하여 진행중인 신경 진동과 상호 작용시킵니다. TACS 연구는 운동 기능 2 , 작업 기억력 3 , 체세포 감각 4 및 시각 지각 5 , 6 , 7 을 포함 하나 이에 국한되지 않는 주파수 및 작업 별 행동 또는인지 조절을 측정했습니다. 비 침습적 방식으로 교류를 가하면 기능적파킨슨 병의 진전 감소, 광학적 신경 병증 9의 시력 개선, 뇌졸중 10 이후의 연설, 감각 및 운동 회복의 개선과 같은 신경계 환자의 개선. 연구를 위해 tACS를 사용하는 연구가 증가하고 임상 환경에서 치료 잠재력이 있다는 증거가 있음에도 불구하고이 기술의 효과는 완전히 규명되지 않았으며 그 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다.
시뮬레이션과 동물 연구는 조절 된 조건 11 , 12 하에서 세포 또는 신경 네트워크 수준에서 교류 자극의 효과에 대한 통찰력을 제공 할 수 있지만 효과적인 자극 기술 13 , 14 의 상태 의존성을 고려할 때 그러한 연구는 전체 그림을 드러내지 않습니다 . tACS와 신경 영상 기술의 결합(EEG) 15 , 16 , 17 , 자기 뇌파 검사 (MEG) 18 , 19 , 20 또는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 는 뇌 기능의 시스템 레벨 변조를 알려줄 수 있습니다. 그러나 각 조합은 관심의 주파수 측정에서 자극 유발 인공물로 인해 기술적 인 어려움이 따릅니다 15 . fMRI의 시간 해상도가 EEG 또는 MEG 측정과 일치 할 수는 없지만 피질 및 뇌 피질 뇌 영역에서의 공간 범위 및 해상도가 우수합니다.
최근 tACS-fMRI 복합 연구에서 tACS가 혈액 산소 수준에 미치는 영향을 dfMRI로 측정 된 ependent (BOLD) 신호는 주파수와 작업 특성 모두이며, 자극은 반드시 전극 바로 아래에서 가장 큰 효과를 발휘하지는 않지만 전극 22 에서 더 먼 영역에서 발생합니다. 다음 연구에서 우리는 주제 기반 전류 밀도에서 파생 된 것처럼 가장 직접적으로 자극 된 영역의 상관 관계 시드를 사용하는 것을 포함하여 저주파 변동 및 휴지 상태 기능 연결성의 진폭을 사용하여 네트워크 기능에 대한 tACS 전극 위치 및 주파수의 영향을 조사했습니다 시뮬레이션. 특히이 연구에서 알파 (10Hz) 및 감마 (40Hz) 자극은 종종 네트워크 연결성 또는 지역 변조에 대한 반대 효과를 유발했습니다 23 . 또한 가장 영향을 많이받은 휴식 국가 네트워크는 왼쪽 전두엽 (fronto-Parietal) 제어 네트워크였습니다. 이 연구는 fMRI를 사용하여 효과적이고 제어 된 STi에 대한 최적의 매개 변수를 결정할 수있는 잠재력을 강조합니다Mulation. 또한, 작업 조건 및 타이밍, 자극 빈도 및 전극 위치와 같은 제어 매개 변수를 제외하고는 tACS의 성공에 영향을 미치는 피험자 별 요인이 있다는 증거에 기여합니다. 자극 매개 변수를 최적화하는 데 제어 할 수없는 변수로 해석되는 대상 특징의 예는 본질적인 기능적 연결성, 내인성 진동 피크 주파수 ( 예 : 개별 알파 주파수) 및 두개골과 피부 두께입니다. 현재 tACS에 관한 문헌을 고려할 때 효과적인 뇌 자극 기술을위한 포괄적 인 절차를 수립하기 위해서는 tACS와 neuroimaging과 같은 신경 측정을 조합 한 더 많은 연구가 필요합니다.
여기서는 시각적 작업의 fMRI와 동시에 tACS를 적용하는 실험에 대한 안전하고 안정적인 설정을 설명하고 tAC를 성공적으로 동기화 한 설정 및 실행의 측면에 초점을 맞 춥니 다S는 fMRI 데이터를 무결점로 수집합니다.
Protocol
모든 실험은 기관 윤리위원회 지침에 따라 수행하십시오. 이 원고에 언급 된 모든 연구에서, 모든 절차는 헬싱키 선언에 따라 수행되었으며 University Medical Center Gottingen의 지역 윤리위원회의 승인을 받았습니다.
1. 실험 전의 자극 및 컴퓨터 설정
- 자극기 설정
참고 :이 fMRI 실험에 사용 된 자극 장치는 MR 안전 내부 필터 상자, 외부 필터 상자, 안전 저항기, 케이블 및 MR 안전 재료가 장착 된 특수 설계된 자기 공명 (MR) 호환 시스템입니다. 일부 지시 사항은 제조업체의 지시 사항과 관련이 있으며, 다른 자극기를 사용할 때 다를 수 있으므로 제조업체가 제공 한이 설정의 예외 사항 인 장비 지침을 따르십시오. 도 1A 는 자극기이 실험 설정에 사용 된 구성 요소.- stimulator의 메뉴를 탐색하여 원하는 실험 파라미터를 프로그래밍하십시오 (자세한 내용은 사용 설명서 참조). 예를 들어 자극 주파수가 10Hz 인 경우 자극 증가 30 초, 자극 강도 300μA, 전류 강도 1,000μA, 반복 트리거 모드 등을 위해 10 초간의 램프 업 / 다운 시간을위한 프로그램을 실행합니다. 실험은 달리 언급하지 않는 한. 실험이 그 후에 실행될 때마다로드하도록 프로그램을 저장하십시오.
- BNC 케이블을 사용하여 자극기 컴퓨터 트리거 출력을 자극기에 연결하십시오.
- 스캐너 실 안쪽에서 RF (radio frequency) 도파관을 통해 비자 성, 차폐 된 근거리 통신망 (LAN) 케이블을 배치하십시오. 공진 형 용량 성 커플 링을 피하려면 케이블이 루프에서 벗어나 방의 벽을 따라 배치되어 자석 보어의 뒷면과 오른쪽 스캐너 베드 레일을 따라 배치하십시오g 내부의 필터 박스 ( 그림 1C 및 케이블 위치에 관한 2.4 단계의 안전 참고 ) 의 위치로 이어지는 구멍 내부. 케이블 길이에 따라 간헐적으로 놓인 테이프로 케이블을 고정하십시오.
- 스캐너 제어 컴퓨터와 별도로 지정된 프레젠테이션 컴퓨터에 시각적 자극 프로그램을로드하십시오. 그림 1C에 묘사 된 것처럼 프리젠 테이션 컴퓨터를 광 - 전기 변환기를 통해 스캐너 트리거 출력에 연결하고 차폐 케이스 또는 자석 실 외부에 배치 된 출력 장치 ( 예 : 프로젝터)에 연결합니다. 비구면 거울을 사용하여 스캐너 보어 내부의 스크린에 투사를 지정하십시오.
2. 제목 도착 및 준비
- MR 스캐닝에 대한 금기 사항 ( 예 : 금속 임플란트가 없거나 폐쇄 공포증이없고 실험 관련 전제 조건)에 대해 선발 된 피험자tACS ( 예 : 발작의 역사, 만성 두통, 임신) 26 , 27 .
- 피험자가 도착하면 피험자에게 fMRI 실험 세부 사항에 대해 지시하고 예상되는 경험을 기술하십시오 ( 예 : tACS의 시각적 자극, 따끔 거림 또는 phosphenes, 특수 작업 지침).
- 10-20 뇌파 시스템 및 자극기 준비에 따라 전극을 놓습니다.
- 줄자를 사용하여 머리 끝에서 입술까지, 귀에서 귀까지 피사체의 머리까지의 거리를 측정합니다. 두 길이의 교차점은 10-20 뇌파 시스템에 따라 Cz의 머리 위치를 제공합니다. 마커를 사용하여 두피의 Cz 위치를 표시하십시오.
- 피험자의 두피에 전극이없는 뇌파 캡을 놓고 Cz를 피검자의 두피에 표시된 것과 일치시킨 다음 전극의 원하는 위치를 결정하고 표시합니다.
아니E : 모든 실험자가 모든 실험을 통해 일관성을 보장하기 위해 동일한 배치 시스템을 사용하는 것이 중요합니다. 경 두개 자극 실험에서 일반적으로 사용되는 10-20 뇌파 시스템은 정확한 전극 배치를 유지하기위한 구체적인 지침을 가지고있다. - 알코올과면 패드를 사용하여 피험자의 두피에 표시된 부분과 그 주위에서 모발과 피부를 닦으십시오. 기름 및 모발 제품을 제거하십시오.
- 고무 전극에 약간의 젤을 펴고 피험자의 두피에 표시된 깨끗하고 세밀한 위치에 각 전극을 단단히 눌러 최소한의 임피던스로 전극에서 전도성 젤까지 두피까지 완전히 접촉되도록하십시오.
- 여분의 쉴드 된 LAN 케이블을 사용하여 필터 박스와 MR 안전 케이블을 자극기와 고무 전극에 연결하십시오 ( 그림 1A 참조) .
- 자극기를 켜고 임피던스를 테스트하십시오 (사용자의매뉴얼 참조). 임피던스가 20kΩ 이하가 아니라면,이 임피던스 가이드 라인이 충족 될 때까지 필요에 따라 두피의 전극을 누르거나 전극 젤을 추가하십시오.
- 임피던스가 20 kΩ 아래에있을 때, 피험자가 감각 경험을 익히도록 자극기가 몇 초 동안 전류를 출력하도록하십시오. 피로감이 존재하고 견딜 수 있는지, 그리고 자극 중에 포스 핀의 정도 또는 위치를 포함하여이 검사 중에 감각 지각에 대해 질문하십시오.
- 이 때 피사체는 스캐너 침대로 이동할 준비가되어 있습니다. 피검자의 고무 전극에 전극 케이블을 꽂은 채로 자극기, 예비 LAN 케이블 및 외부 및 내부 필터 상자를 분리합니다.
- 외부 필터 상자를 도파관을 통과하는 LAN 케이블에 MR 스캐너에 연결하고 가능하면 도파관 바깥에 노출 된 LAN 케이블이 거의 없도록하십시오 ( 그림 1B 참조). 연결자극기를 사용하여 외부 필터 박스에 자극기를 연결하고 자극기가 프레젠테이션 컴퓨터 트리거 출력에 연결되어 있는지 다시 확인하십시오.
- MR 스캐너 내부에서 피사체를 준비하십시오.
참고 : 그림 1C 는 실험 중 전체 tACS-fMRI 설정을 보여줍니다. 전극 케이블을 스캐너 베드의 평면에 대해 약 90도 각도로 배치하고 내부 필터 박스를 스캐너 오른쪽에있는 스캐너 베드 난간 위에 놓고 케이블과 내부 필터 박스를 지정된대로 배치하는 것이 중요합니다 구경. 그렇게하지 않으면 전극 케이블의 안전 회로가 손상 될 수 있습니다. 이 구성은 개방 및 폐쇄 RF 코일 모두에 적용됩니다.- 피검자에게 자성 물질이없고 MRI 실험 준비가 된 것을 확인한 후 피검자를 스캐너 실로 유도하십시오.
- 청력 보호를 위해 귀 플러그를 착용하고 피검자에게 거짓말을하도록 지시하십시오.스캐너 침대에 머리 주위와 다리 아래에 베개를 놓고 편안함을주고 운동을 줄입니다. 피사체의 머리 뒤쪽에 베개를 놓을 때, 전극 케이블을 평평하게 놓고 실험 기간 동안 피검자가 편안하게 누워있을 수있는 위치에 세 심하게주의하십시오.
- 실험에서 반응하기 위해 버튼을 누르기 위해 최소한의 움직임이 요구되는 것과 같이 알람 볼과 MR 안전 응답 버튼 상자를 잡고있는 대상에게줍니다.
- 피사체가 올바른 방향으로 반사 된 영사 스크린을 볼 수 있도록 미러가 부착 된 상태에서 피사체의 머리 위로 RF 헤드 코일을 고정 시키십시오.
- 고무 전극에서 나오는 전극 케이블의 자유 단은 침대가 움직일 때 걸리지 않도록 머리 코일의 한 부분에 잠깐 고정하십시오. 그림 1D 는 베개, 거울 및 tACS 케이블이 제 위치에있는 헤드 코일에있는 피사체의 머리를 보여줍니다. b이미징을 위해 침대를 중앙 머리 코일로 이동하기 전에. 필터 베드는 스캐너 베드가 측정 위치에있을 때 헤드 코일에 상대적으로 놓여 져야하는 위치의 예로서 스캐너 베드 난간 위에 배치 된 것으로도 표시됩니다.
- 스캐너 침대를 측정 위치로 옮깁니다. 스캐너 보어의 뒷부분에서 그림 1C 와 같이 고무 케이블의 전극 케이블을 LAN 케이블에 연결된 내부 필터 박스에 연결하십시오. 스캔 중 과도한 움직임을 방지하려면 케이블 및 필터 상자를 테이프 및 모래 주머니가있는 보어 오른쪽의 스캐너 베드 난간을 따라 고정하십시오. 스캐너 스크린을 스캐너 보어의 뒤쪽 끝에 놓습니다.
- 자극기의 임피던스를 한 번 더 테스트하여 케이블, 필터 상자 및 자극기 사이의 모든 연결이 제대로 이루어 지도록하십시오.
3. MR 스캔 및 실험
- 검사가 시작되기 전에피사체가 응답 버튼을 누르면 프리젠 테이션 컴퓨터가 등록됩니다.
- 3 차원 터보 고속 저각 촬영, 반향 시간 (TE) : 3.26ms, 반복 시간 (TR) : 2,250ms, 반전 시간 : 900ms, 플립 각도 9 °, 고해상도 T1 강조 해부 데이터를 얻습니다. 등방성 해상도 1 x 1 x 1 mm 3 ).
- 획득 후, 자극기 설정으로 인해 발생할 수있는 스캐닝 중 노이즈를 시각적으로 감지하기 위해 해부학 적 MRI의 대비 및 창을 저 극단 및 고 극단으로 조정하십시오. 기능 이미지 수집과 동시에 노이즈의 시각적 모니터링을 계속하십시오.
- 프리젠 테이션 컴퓨터에서 실험을 시작하여 스캐너 트리거로 시작할 준비를하고 자극기를 시작하여 프리젠 테이션 컴퓨터 출력 트리거를 기다립니다. 자극기 사이의 일시적인 신호 대 잡음비 (tSNR)의 차이를 피하기 위해 자극기를 fMRI 실험 전반에 연결하고 연결하십시오온 / 오프 조건 22 .
- fMRI 스캔을 시작하십시오 ( 예 : 2 차원 T2 * 가중 경사 그라디언트 에코 평면 이미징, TE : 30 ms, TR : 2,000 ms, 플립 각 70 °, 3 mm 두께의 33 슬라이스, 3 x 3 mm 2 의 평면 해상도, 7 분 스캔의 경우 210 개 볼륨)을 사용하여 프리젠 테이션 컴퓨터에서 실험을 시작합니다. 자극 장치 디스플레이를 모니터링하여 실험이 진행되는 동안 원하는 시간에 전류가 흐르도록하십시오.
4. 실험 결론
- 실험이 끝나고 스캔이 끝나면 스캐너 베드를 움직이기 전에 고무 전극에 연결된 케이블에서 내부 필터 상자의 플러그를 뽑고 스캐너에서 피사체를 꺼내고 전극을 제거하여 피사체가 머리카락을 씻어 낼 수있게합니다.
- 자극기를 끄고 충전기에 연결하십시오. 그들의 nex에 물로 고무 전극 청소사용.
Representative Results
그림 2 와 그림 3 은 각각 팬텀 (phantom)과 사람 대상에서 장비 노이즈 테스트를 위해 얻은 대표 이미지를 보여줍니다. 모든 행에서 그림 2 와 그림 3 은 획득 한 부피 또는 계산 된 맵의 대표적인 축 슬라이스를 보여 주며 그에 따라 행 위에 레이블이 지정됩니다. 각 행의 가장 오른쪽 이미지는 해당 볼륨 또는 계산 된 맵의 화살 표이며 축 방향 슬라이스 위치는 파란 선으로 표시됩니다. 흰색의 전극 배치를 보여주는 첫 번째 행을 제외하고, 볼륨은 각 그림의 T1 가중치 이미지 위에 중첩됩니다. T1 가중치 이미지에서 전극의 왜곡이나 신호 누락이 없음을 유의하십시오. 그림 2 의 두 번째 행은 tACS 설정과 함께 얻은 대표적인 기능적 MRI 데이터를 보여줍니다.에. 그림 2 의 팬텀에서는 전극으로 인한 신호 누락과 왜곡이 있음을 알 수 있습니다. 그러나 그림 3의 2 행은 이러한 왜곡이 피검자의 두피를 넘어서지 않는다는 것을 보여줍니다. 그림 2 의 3 행과 4 행은 fMRI 데이터와 동일한 매개 변수를 사용하지만 RF 여기 펄스가없는 볼륨에서의 잡음 측정을 보여줍니다. 이미지는 스캔하는 동안 스캐너 실 및 MR 하드웨어의 소음 수준을 보여줍니다. 3 번은 tACS가 꺼진 잡음 측정이고 4 번은 tACS가 켜진 잡음 측정입니다. 그림 2 의 다섯 번째와 여섯 번째 행에는 각각 tACS 설정과 자극기를 켜고 끄는 기능 실행을위한 tSNR 맵이 있습니다. 사람 대상에서 수집 한 데이터로 계산 된 TSNR 맵은 그림 3 행에 3 개, tACS가 꺼져 있고 4 개는 tACS가 표시되어 있습니다. 눈에 보이는 차이가 없다는 것을주의하십시오.자극 조건을 비교할 때 강도가 약간 떨어진다. 이전 연구에서 입증했듯이, tACS 장비는 tACS 설정없이 획득 한 것과 비교하여 이미지에서 tSNR이 약 5 % 감소하지만 tSNR은 자극 온 / 오프 조건에서 안정을 유지해야합니다 22 .
그림 4 는 비 MR 호환 전극이 사용될 때 발생할 수있는 신호 누락을 보여주는 일련의 이미지를 나타냅니다. 일부 금속 오염 물질이있을 수있는 전극이있는 피 검체의 fMRI 볼륨에서 나온 슬라이스는 빨간 원으로 표시된 것처럼 일차 운동 피질에 대략 배치 된 전극 아래의 신호 드롭 아웃을 나타냅니다.
그림 5 는 16 Hz Cz-Oz tACS의 전류 세기가 BOLD 신호에 미치는 영향을 테스트 한 실험 결과를 보여줍니다. 묻는 것은 중앙 십자가 고정입니다. 실험 전반에 걸쳐 12 초의 tACS 기간이 24 ~ 32 초의 비 자극 기간으로 인터리브되었습니다. 의사 랜덤 화 된 순서에서, tACS는 4 회 수행 할 때 각각 다른 전류 강도 (500 μA, 750 μA, 1,000 μA, 1,500 μA)로 적용되었습니다. 그림 5A 는 통계적으로 중요한 클러스터에 대한 BOLD 신호의 이벤트 관련 평균을 나타내며 증가 된 전류 강도로 BOLD 신호에 대한 영향이 증가합니다. 또한 그림 5B 는 증가 된 전류 강도로 공간 효과를 증가시킬뿐만 아니라 효과의 지역 특이성을 보여주는 현재 강도 특정 T 점수 맵을 보여줍니다. 전두엽의 BOLD 활동이 크게 바뀌어 변조가 항상 전극 바로 아래에있는 것은 아님을 알 수 있습니다. 자세한 내용은 Cabral-Calderin 및 동료 22 참조 .
그림 6 은 시각적 인식 작업 동안 tACS 효과의 주파수 의존성을 테스트하는 실험의 대표적인 결과를 보여 주며, 피험자는 쌍 안정 회전 구체의 지각 된 방향을보고했다. </ P> < P> </ P> < P> 동일한 시간에 3 회의 개별 세션에서 3 개의 자극 주파수 (10 Hz, 60 Hz 또는 80 Hz) 중 하나에서 Cz 및 Oz에 배치 된 전극을 tACS에 적용했습니다. 그림 6A 는 시각적 표현과 tACS 기간 TACS 조건 및 주파수 효과 상호 작용 맵 및 클러스터 사후 테스트는 10 Hz tACS 감소 및 60 Hz 증가 신호 ( 도 6B )를 갖는 두정 피질에서 주파수 특이 적 영향을 나타낸다. 도 6C 는 T- 점수 두 번째 피질을 포함하도록 두정 피질을 넘어 연장 된 60 Hz tACS의 특수 효과 맵활 및 정면 영역. 실험 및 분석에 대한 자세한 내용은 Cabral-Calderin, et al. 22 .
그림 1 : 스캐너의 TACS 설정. ( A ) 필요한 모든 요소가있는 TACS 설정. 자극기와 케이블은 MR 차폐 실 외부에 연결됩니다. 또한 EEG 캡, 테이프 측정 및 전극 배치에 사용되는 전도성 젤이 표시됩니다. ( B ) 스캐너 실 외부에 배치 된 외부 필터 박스 및 자극기. LAN 케이블 (그림에는 보이지 않음)은 스캐너 실에서 RF 도파관을 통해 나와 외부 필터 상자에 연결합니다. LAN 케이블은 가능한 스캐너 실 외부에 노출되어 있습니다. 자극기는 외부 필터 박스뿐만 아니라 프리젠 테이션 컴퓨터 트리거 출력 케이블에도 연결해야합니다. ( C )실험 환경을 갖춘 스캐너 환경. 프리젠 테이션 컴퓨터, 스캐너 컴퓨터 및 트리거 출력 및 프로젝터를 포함한 tACS 설정 설명 ( D ) 실험을위한 주제 포지셔닝. 중요한 요소로는 베개, 케이블 배치, 뷰 미러 및 헤드 코일이 있습니다. 여과 상자는 보어 안쪽에 배치의 예로서 스캐너 베드 난간 위에 놓입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : Phantom에서 얻은 품질 평가 MR 이미지 행 1 : 고해상도 해부학 적 T1 강조 영상 축 슬라이스. 오른쪽의 시상면 슬라이스에 파란 선으로 표시되는 위치 (각 후속 행에서도 볼 수 있음). 시상면에서 전극 위치는 흰색으로 평가. 행 2 : 전극 및 / 또는 전극 겔로 인한 신호 드롭 아웃 및 왜곡을 나타내는 마젠타 색 화살표가있는 T2 * 가중 에코 평면 이미지 슬라이스. 시상면에서는 해당 볼륨의 위치가 오버레이로 표시됩니다 (각 행에서도 볼 수 있음). 3 행 : fMRI 실험 파라미터로 얻은 잡음 이미지 슬라이스 및 tACS 설정이 있고 켜져 있지만 자극이없는 동안 RF 여기 펄스가 없습니다. 4 행 : tACS 설정과 자극기를 사용하여 16 Hz에서 자극하고 자극없이 RF-excitation 이미지 획득. 5 행 : tACS 설정으로 얻은 데이터에서 계산 된 TSNR 맵. 켜져 있지만 켜지지는 않았습니다. 행 6 : TSNR 맵은 tACS 설정으로 얻은 데이터에서 계산하고 16Hz에서 자극합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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그림 3 : 주제에서 획득 한 MR 이미지 행 1 : 고해상도 해부학 이미지 축 슬라이스 (각 행에서 볼 수 있듯이) 시상면 슬라이스의 파란색 선으로 표시된 위치. 전극 위치는 시상면에서 흰색으로 표시됩니다. 행 2 : 전극 및 / 또는 전극 겔로 인한 신호 누락을 나타내지 않는 T2 * 가중 된 에코 평면 이미지 슬라이스. 시상면에서는 해당 볼륨의 위치가 오버레이로 표시됩니다 (각 행에서도 볼 수 있음). 3 행 : tACS 설정으로 얻은 데이터에서 계산 된 TSNR 맵이며 켜져 있지만 자극은 없습니다. 4 행 : TSNR 맵은 tACS 설정으로 얻은 데이터에서 계산하여 16Hz에서 자극합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 오염 된 전극으로 인한 신호 누락. 오염 된 전극을 사용하여 피험자를 획득 한 fMRI 볼륨의 조각을 모터 피질의 손잡이 위에 대략 놓습니다. 빨간색 원은 신호가 떨어지는 전극 아래의 영역을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : BOLD 신호의 tACS 변조에 대한 전류 세기의 영향. ( A ) 16 Hz tACS 효과에 대한 현재 강도의 주요 효과를 보여주는 F 점수지도. 편도 rANOVA에서 현재 강도의 중요한 주요 효과 [ 요인 : 현재 강도 (500, 750, 1,000, 1,500 μA)]가 분명합니다. 플롯은 각 현재 강도에 대한 tACS-on 기간에 대한 BOLD 신호의 이벤트 관련 평균 시간 코스를 표시합니다. 음영 처리 된 영역은 대상에서 평균의 표준 오차를 나타냅니다. MedialFG = 내측 이이 (medial frontal gyrus), IPS = intraparietal sulcus, IFG = 열등한 전두엽, PrC = 전두엽, L = 왼쪽, R = 오른쪽, * 다중 비교를 위해 교정되지 않은 클러스터. ( B ) 각 현재 힘에 대한 16 Hz tACS 동안의 BOLD 활동 변화를 보여주는 T- 점수지도. 500μA tACS에서는 유의 한 효과가 발견되지 않았습니다. LH = 왼쪽 반구; RH = 오른쪽 반구. 이 그림은 Cabral-Calderin et al. 29 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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그림 6 : Visual Perception Task에서 BOLD 신호에 대한 tACS의 영향. ( A ) 실험의 도식적 표현. 시각 자극 및 tACS가 블록 설계에 적용되었으며, 시각 자극 지시의 120 초 블록 동안 30 초 on-off tACS 블록이 발생했습니다. 각 주파수는 다른 세션에서 테스트되었습니다. SfM = 구조 - 동작에서. ( B ) TACS 상태 및 주파수 상호 작용 효과. 2-way rANOVA에서의 유의성을 보여주는 F- 통계지도 (post-central gyrus에서 두 개의 대표적인 클러스터에 대한 tACS (on, off), frequency (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz) 및 베타 추정) 연속 선과 검정 별표는 10Hz 대 60Hz 및 10Hz 대 80Hz의 tACS 온 - 오프 상호 작용 효과에 대한 사후 비교를위한 중요한 차이를 나타내며 빨간색 별표는 post-hoc 테스트 대 tACS의 중요한 차이를 의미합니다. PoC = postcentral gyrus, I추기경 = 내장 내 고랑. ( C ) 60 Hz tACS의 T- 점수 맵. 60 Hz tACS 대 off를 비교 한 현저한 차이. 이 그림은 Cabral-Calderin et al. 29 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
여기서는 MR- 호환 tACS 시스템을 사용하여 동시 tACS-fMRI 실험 설정 및 실행을위한 절차를 설명했습니다. 이 절차의 일부 단계에서는 특히주의 설정과 관련하여 특별한주의가 필요합니다. 이 실험에서 사용 된 MR- 호환 자극기 및 셋업은 케이블, 필터 박스 및 전극만으로 약 12 kΩ의 최소 임피던스를 가지며 제조업체는 피검자에 연결된 전극을 가진 20 kΩ 최소 임피던스를 권장합니다. 이 요구 사항은 자극 제품 및 제조업체에 따라 다릅니다. 피험자에게 전극을 적용 할 때 임피던스가 너무 높으면 전극을 누르는 것 외에이 값을 줄이기위한 몇 가지 단계를 취할 수 있습니다. 예를 들어 두피에 전극을 눌러주기 전에 머리카락을 포함한 전극 젤로 두피의 표시된 부위를 먼저 가려주는 것이 더 쉽습니다. 이것은 비전 도성 물질 전반에 걸친 전류 확산을 보장합니다. 하나,자극의 원하는 영역으로 전류가 확산되도록 전극과 거의 동일한 표면적으로 전극 젤 적용 범위를 제한하도록주의하십시오. 과도한 전극 젤 접촉을 통해 전극 사이의 전류 분로가 발생할 수 있기 때문에 전극이 가까이있는 경우 특히주의하십시오. 전극이 머리 뒤쪽에있을 때 피사체가 직접 누워있을 경우 실험이 계속되면 피사체가 불편 해지지 않도록 머리 뒤쪽에 베개를 두는 데 특별한주의를 기울여야합니다. 이 불편 함은 처음에는 문제가되지 않을 수도 있지만, 경험에 의하면 통증은 시간이 지남에 따라 증가하고 증가한다는 것을 보여줍니다. 또한 모든 fMRI 실험과 마찬가지로 피사체 움직임이 문제가되는 혼란을 야기하므로 피사체가 모든 케이블 및 전극을 제자리에 놓는 것이 중요합니다.
고려해야 할 설정의 가장 중요한 부분은 잠재적으로 도입 된 잡음입니다.이미지 인공물과 왜곡을 유발할 수있는 MR 환경으로 실험에 앞서 전체 tACS 설정을 사용하여 이미지 아티팩트를 테스트하는 것이 현명합니다. 일반적인 구형 팬텀을 사용하여 전극 젤로 전극을 고정 할 수 있습니다. 하나의 전극에서 다른 전극으로가는 경로에 많은 양의 전극 젤을 적용하여 전극 사이를 이동하는 방법을 제공하는 것이 중요합니다. 주파수 및 전류와 같은 매개 변수 변형을 포함하여 전체 실험을 주제에 맞게 계획대로 실행하십시오. 스캐닝 세션 중에 MR 스캐너 제어 컴퓨터의 이미지 뷰어에서 극단을 콘트라스트 및 윈도우로 조정하면 노이즈를보다 쉽게 시각적으로 감지 할 수 있습니다. 실험 전과 실험 중 노이즈를 시각적으로 모니터링 할 때 이미지와 같이 강도가 높은 스파이크, 신호를 측정하지 않아야하는 패턴 또는 시간 경과에 따라 다양한 강도로 노이즈가 발생할 수 있습니다. RF excitatio로 fMRI 데이터 수집n 펄스가 꺼지면 실제 이미지 신호를 수집하지 않고 스캔하는 동안 스캐너 환경 노이즈에 대한 정보를 제공합니다 ( 그림 2 참조). 이 노이즈 테스트는 모든 스캔 세션에서 수행 할 수 있습니다. 소음에 변화가 있으면 모든 케이블이 손상되지 않았으며 자극기, 전극 및 필터 상자에 제대로 연결되어 있는지 확인하십시오. 케이블이 루프에 들어 가지 않아야합니다. 깨진 케이블, 고무에 금속 오염 물질이있는 전극 (MR 호환 제품으로 판매 됨에도 불구하고) 및 연결 불량 등으로 인해 소음 또는 왜곡이 발생할 수 있습니다. 자극 장치는 배터리 구동 방식으로 설정시 전기 노이즈를 최소화합니다. 모든 실험을하기 전에 완전히 충전되어 있고 실험 전반에 걸쳐 연결되어 있는지 확인하십시오. 기능적 이미지의 TSNR은 자극기를 연결 한 상태에서 약 5 % 감소하지만 자극 상태에 따라 값이 안정해야합니다 22 . 동시 transcranial 전기 자극 -fMRI 테스트시체는 교류 자극과 관련된 인공물이 없다는 것을 보여 주었으며 이는 직류 자극과 비교할 때 장점입니다 30 . 이론적으로, 인공물의 부족은 이미지가 획득 될 때 0의 순 전류에 의해 설명 될 수있다. 그러나 실험실에서 수행 된 일부 실험의 경우 획득 시간 또는 TR은 자극 빈도의 배수가 아닙니다. 이 프로토콜에서 언급 한 노이즈 테스트를 수행하고 눈에 보이지 않는 아티팩트에 대한 이미지를 조사한 후, 우리는 0에서의 순 전류의 차이가 작고 아티팩트를 유도하기에는 너무 작다고 결론을 냈습니다.
성공적인 실험을위한 또 다른 중요한 점은 프리젠 테이션 컴퓨터가 스캐너의 트리거 출력을 수신하고 자극기가 프리젠 테이션 컴퓨터에서 트리거를 수신한다는 것입니다. 실험에 앞서 시각적 자극 설계 및 타이밍을 프로그래밍하십시오.원하는 소프트웨어. 이 프로그램은 트리거를 사용하여 시각적 자극 프레젠테이션을 MR 스캐너 및 자극기와 동기화해야합니다. 그것은 MR 스캐너로부터 출력되는 트리거로 시작하고 원하는 자극 시간에 자극기에 출력 트리거를 보낸다. 설정 중에 트리거 통신을 확인하는 쉬운 방법은 BNC 케이블과 함께 제공된 오실로스코프를 프리젠 테이션 컴퓨터 출력뿐만 아니라 스캐너 트리거 출력에 사용하는 것입니다. 설정에서 MR 스캐너는 획득 한 모든 기능 볼륨에 대해 트리거 (토글)를 출력하고 프리젠 테이션 컴퓨터는 프리젠 테이션 소프트웨어를 통해 프로그래밍 된 신호를 출력합니다. 잘 설계된 실험의 분석은 적절하게 시간을 둔 자극에 결정적으로 의존합니다.
이 실험의 일부 단계는 실험실 설정 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다. 예를 들어,이 설정에서는 시각적 자극 표현을 위해 프로젝터와 거울을 사용하는 방법을 설명하지만 시각적 자극tput 장치는 MR 안전 액정 디스플레이 고글 또는 MR 안전 모니터가 될 수 있으며, 실험 및 실험실 환경 또는 제한에 따라 선택됩니다. 또한 MRI 스캔 파라미터는 실험에 맞춰야합니다. 직접적인 대답은 존재하지 않지만 tACS에 대한 실험 제어의 적절한 선택에주의를 기울여야 함을 유의하는 것이 좋습니다. 30 초의 짧은 가짜 자극은 장기간의 자극으로 결국 감소하는 tACS에 의해 유도 된 체세포 감각을 모방 할 수 있습니다. 그러나 일부 연구는 자극의 짧은 기간조차도 진동적 동반을 유도 할 수 있음을 보여줍니다 12 . tACS에 사용할 수있는 또 다른 가능한 제어는 비효율적 인 주파수, 즉 관심있는 주파수와 다른 주파수를 사용하여 자극하는 것입니다. 여기에서 예외는 somatosensation과 phosphene 지각이 자극 빈도에 따라 다양하다는 것입니다. 마지막으로, 자극의 주관적 경험에 관해서tACS 유도 성의 phosphenes는 개인마다 다르므로 피검자의 다양성을 가장 잘 포착하려면 phosphene 지각에 대한 상세한 등급 시스템을 사용하고 phosphenes의 다양한 특징 ( 예 : 위치, 강도)을 설명하는 주제와 시간을 보냅니다. 피험자가 자극 32,33 동안 자신의 경험을주의 깊게 평가할 수 있도록 일어날 수 있습니다.
여기에 표시된 대표 결과는 tACS 효과가 전류 의존적이며 주파수 의존적이며 변조가 전극 아래의 영역으로 제한되지 않고 먼, 기능적으로 연결된 지역까지 확장된다는 것을 제안합니다. 이 기술의 한 가지 한계는 fMRI와 BOLD 응답의 시간 해상도입니다. 데이터 수집 및 혈역학 반응은 자극 주파수 나 뇌의 전기적 활동만큼 빠르지 않으므로 주파수와의 직접적인 상호 작용tACS의 특정 효과는 측정 될 수 없다. 그러나 tACS 효과의 과학적 문헌 중 가장 큰 비중은 행동 연구이며 tACS가 전체적이고 복잡한 신경계에 명백하게 영향을 미친다는 점을 감안할 때 동시 tACS-fMRI 실험에서 tACS 효과에 대해 알려주는 것이 분명합니다. 두뇌. EEG 및 MEG는 신경 활동과 일치하는 시간 해상도의 수준에 대한 통찰력을 제공합니다. 그러나 EEG와 MEG는 공간 해상도와 피질의 깊이 제한 또는 계산 집약적 인 소스 재구성 기술로 어려움을 겪고 있습니다. 동일한 주파수에서 기록 된 관심의 뇌 신호를 무시하는 자극 주파수 및 하모닉 아티팩트는 EEG 및 MEG 분석을 더욱 복잡하게 만듭니다. 이러한 도전 과제 중 일부를 해결하기 위해 혁신적인 해결 방법이 적용되었습니다. Helfrich et al. 아티팩트 템플리트 뺄셈 및 주성분 분석을 사용하여 EEG 데이터에서 tACS 아티팩트를 제거하는 새로운 기술을 사용했습니다. 34 . tACS를 정상 및 비정상 뇌 기능을 더 잘 이해하기위한 연구에 적용하고 결과적으로 진단 또는 치료를 위해 임상 적으로 임상 적으로 tEGS를 EEG, MEG 및 fMRI와 별도로 결합하여 맞춤형 특수 효과에 대한 모범 사례를 보완 적으로 설정해야합니다 특히 개인에게. 그러한 관행이 수립되면 신경 진동의 기능을 더 잘 이해하고 ( 예 : 서로 다른 주파수 대역의 기능적 역할과 관계를 명확하게 정의하는) 효과적인 tACS로 변조하는 효과적인 조사가 수행 될 수 있습니다예를 들어 그 메커니즘이 함몰 (entrainment) 또는 소성 변형 ( plastic change ) 을 통해 발생하는지 여부 35 ).
미래 방향을 고려할 때, 여기에 설명 된 셋업은 지각 또는인지를 연구하는 fMRI 실험에 맞게 제작되었습니다. Cabral-Calderin과 동료 연구자들은 비디오 피스와 핑거 두드리기 실험에서 후두 피질 부위의 활성화가 작업과 tACS 빈도에 달려 있다는 것을 보여 주었다. 동시 tACS-resting-state fMRI 연구에서 Cabral-Calderin 및 동료들은 고유 기능 연결성 및 휴면 상태 네트워크에 대한 tACS의 주파수 종속 효과를 보여주었습니다 23 . Vosskuhl et al . tACS와 fMRI를 결합하여 개별 알파 주파수 자극시 시각적 경계 작업 중 BOLD 감소를 보임. Alekseichuk과 동료들은 1 명의 즉각적인 후유증이0 Hz tACS는 체크 무늬 링과 쐐기가 시각적으로 인식되는 동안 BOLD 신호를 변조하여 수동 인식 작업의 신경 대사가 변경되었음을 나타냅니다. 이 연구는 신진 대사에서인지에 이르기까지 다양한 수준에서 기능 기전을 탐색하기위한 동시 tACS-fMRI 연구의 단계를 설정했습니다. 번역 연구를위한 tACS 사용의 초기 단계에서 동시 TACS-fMRI 실험이 자극 기술과인지 기능에 대한 진동의 기여도를 추가 할 수있는 가능성이 많이 있습니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
기능적 이미징 실험을하는 동안 Ilona Pfahlert와 Britta Perl에게 기술 지원에 감사하고 우수한 컴퓨터 지원을 위해 Severin Heumüller에게 감사드립니다. 이 연구는 Herman and Lilly Schilling 재단과 CNMPB (Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology for the Brain) 센터에서 지원했습니다.
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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