Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная томография

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

Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) является перспективным инструментом для неинвазивного исследования колебаний мозга, хотя его эффекты еще не полностью поняты. В этой статье описывается безопасная и надежная установка для одновременного применения tACS с функциональной магнитно-резонансной томографией, которая может улучшить понимание колебательной функции мозга и эффектов tACS.

Abstract

Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) является перспективным инструментом для неинвазивного исследования мозговых колебаний. TACS использует частотно-специфическую стимуляцию человеческого мозга через ток, применяемый к скальпу с поверхностными электродами. Большинство современных знаний о технике основаны на поведенческих исследованиях; Таким образом, объединение метода с визуализацией мозга имеет потенциал для лучшего понимания механизмов tACS. Из-за электрических и восприимчивых артефактов объединение tACS с изображением головного мозга может быть сложным, однако один метод визуализации мозга, который хорошо подходит для одновременного применения с tACS, представляет собой функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI). В нашей лаборатории мы успешно комбинировали tACS с одновременными измерениями FMRI, чтобы показать, что эффекты tACS зависят от состояния, тока и частоты и что модуляция активности мозга не ограничивается областью, находящейся непосредственно под электродами. В этой статье описывается безопасный и надежный наборДля применения tACS одновременно с визуальными заданиями fMRI, которые могут помочь понять колебательную функцию мозга, а также эффекты tACS на мозг.

Introduction

Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) представляет собой неинвазивный метод стимуляции мозга с обещанием исследовать нейронные колебания и частотно-специфические функции мозга у здоровых людей, а также изучать и модулировать колебания в клинических популяциях 1 . Используя два или более проводящих электрода, помещенных на кожу головы, синусоидальные волны с малым током (1-2 мА пик-к-пику) применяются к мозгу с желаемой частотой для взаимодействия с текущими нервными колебаниями. Исследования TACS измеряли поведенческую или когнитивную модуляцию по частоте и задаче, включая, но не ограничиваясь ими, моторную функцию 2 , производительность рабочей памяти 3 , соматизацию 4 и визуальное восприятие 5 , 6 , 7 . Применение переменного тока неинвазивным образом также привело кУлучшение у неврологических пациентов, таких как уменьшение тремора при болезни Паркинсона 8 , улучшение зрения в оптической нейропатии 9 и улучшение скорости речевого, сенсорного и моторного восстановления после инсульта 10 . Несмотря на все большее число исследований с использованием tACS для исследований и доказательств его терапевтического потенциала в клинических условиях, последствия этого метода не полностью охарактеризованы, и его механизмы не полностью поняты.

Моделирование и исследования на животных могут дать представление о влиянии стимуляции переменного тока на уровне клеточной или нейронной сети в контролируемых условиях 11 , 12 , но, учитывая зависимость эффективных методов стимуляции 13,14 от состояния, такие исследования не показывают всей картины , Объединение tACS с методами нейровизуализации(EEG) 15 , 16 , 17 , магнитоэнцефалография (MEG) 18 , 19 , 20 или функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 могут сообщать о системной модуляции функции мозга. Однако каждая комбинация связана с технологическими проблемами, главным образом из-за индуцированных стимуляцией артефактов при измерении интересующих частот 15 . Хотя временное разрешение МРТ не может сравниться с измерениями ЭЭГ или МЭГ, его пространственное покрытие и разрешение в областях коры головного мозга и подкоркового мозга выше.

Недавно в объединенном исследовании tACS-fMRI мы показали, что эффекты tACS на уровень оксигенации крови d(BOLD), измеренный с помощью fMRI, являются как частотными, так и конкретными задачами, и что стимуляция не обязательно оказывает наибольшее влияние непосредственно под электродами, но в областях, более удаленных от электродов 22 . В следующем исследовании мы исследовали влияние положения и частоты электрода tACS на сетевую функцию с использованием амплитуды низкочастотных флуктуаций и функциональной связности состояния покоя, в том числе с использованием корреляционных семян наиболее непосредственно стимулированных областей, исходя из плотности тока на основе субъекта моделирование. Наиболее заметно в этом исследовании, стимуляция альфа (10 Гц) и гамма (40 Гц) часто вызывала противоположные эффекты в сетевом соединении или в региональной модуляции 23 . Кроме того, наиболее уязвимой сетью покоящихся состояний была левая фронтально-париетальная сеть управления. Эти исследования подчеркивают возможность использования МРТ для определения оптимальных параметров для эффективного, контролируемоголировка. Кроме того, они способствуют доказательству того, что помимо контролируемых параметров, таких как состояние задачи и время, частота стимуляции и позиции электрода, существуют определенные специфические факторы, влияющие на успех tACS. Примерами предметных характеристик, которые переводятся как неконтролируемые переменные в оптимизирующие параметры стимуляции, являются внутренняя функциональная связность, пиковая частота эндогенного колебания ( например , индивидуальная альфа-частота) и толщина черепа и кожи 25 . Принимая во внимание текущую литературу, относящуюся к tACS, необходимы дополнительные исследования, сочетающие tACS с нейронными измерениями, такими как нейровизуализация, для создания комплексных процедур для эффективных методов стимуляции мозга.

Здесь мы описываем безопасную и надежную установку для экспериментов, применяющих tACS одновременно с fMRI визуальной задачи, с уделением особого внимания аспектам настройки и выполнения, которые обеспечивают успешную синхронизацию tACS с отсутствием артефактов данных fMRI.

Protocol

Проведите все эксперименты в соответствии с руководящими принципами институциональной этики. Для всех исследований, упомянутых в этой рукописи, все процедуры были выполнены в соответствии с декларацией Хельсинки и одобрены местным комитетом по этике Медицинского центра Университета Геттингена.

1. Стимуляция и установка компьютера перед экспериментом

  1. Настройка стимулятора
    ПРИМЕЧАНИЕ. Стимулятор, используемый для этого эксперимента FMRI, представляет собой специально разработанную магнитно-резонансную (MR) -совместимую систему, оснащенную внутренней защитной коробкой MR, внешней коробкой фильтра, защитными резисторами, связанными кабелями и материалами, безопасными для MR. Некоторые инструкции относятся конкретно к указаниям изготовителя, и они могут различаться при использовании другого стимулятора, поэтому следите за инструкциями по оборудованию, предоставленными изготовителем, которые могут составлять исключения для этой установки. На рисунке 1А показан стимуляторКомпоненты, используемые в этой экспериментальной установке.
    1. Перейдите в меню стимулятора, чтобы запрограммировать желаемые параметры эксперимента (подробнее см. Руководство пользователя). Например, для частоты стимуляции 10 Гц программа 10 циклов для увеличения / уменьшения времени 1 с, 300 синусоидальных циклов в течение 30 с стимуляции, сила тока, равная 1000 мкА, и повторяющийся триггерный режим, который проводится для наших Если не указано иное. Сохраните загружаемую программу для каждого запуска эксперимента.
    2. Подключите сигнал запуска компьютера стимула к стимулятору с помощью BNC-кабеля.
    3. Поместите немагнитный экранированный кабель локальной сети (ЛВС) через радиочастотную (RF) волноводную трубку изнутри комнаты сканера. Чтобы избежать резонансной емкостной связи, убедитесь, что кабель свободен от петель и расположен вдоль стены комнаты, что ведет к задней части отверстия магнита и вдоль правого борта сканераГ внутри отверстия, что приводит к положению внутреннего фильтра (см . Рис. 1С и примечание по безопасности на шаге 2.4 относительно положения кабеля). Закрепите кабель лентой, помещенной с перерывами вдоль ее длины.
  2. Загрузите программу визуального стимула на назначенный компьютер представления, который отделен от компьютера управления сканером. Как показано на рисунке 1C , подключите презентационный компьютер к выходу триггера сканера через оптический преобразователь и к выходному устройству ( т . Е. Проектору), которое помещается в экранированный корпус или вне магнитной комнаты. Используйте немагнитные зеркала, чтобы направлять проекцию на экран внутри отверстия сканера.

2. Прибытие и подготовка предмета

  1. Предварительно экранированные набранные предметы для любых противопоказаний к МР-сканированию ( например , без металлических имплантатов, клаустрофобии, экспериментальных конкретных предпосылок), посколькуА также для tACS ( например , история судорог, хронические головные боли, беременность) 26 , 27 .
  2. Когда субъект прибывает, проинструктируйте субъекта о деталях эксперимента FMRI и опишите ожидаемый опыт ( например , визуальный стимул, покалывание или фосфены из tACS, специальные задания).
  3. Поместите электроды в соответствии с системой 10-20 ЭЭГ и подготовкой стимулятора.
    1. Используя рулетку, измерьте расстояние на голове субъекта от nasion до inion и от уха до уха поверх верхушки головы. Пересечение обеих длин дает положение на голове для Cz в соответствии с системой 10-20 ЭЭГ. Отметьте место для Cz на скальпе, используя маркер.
    2. Поместите колпачок ЭЭГ без электродов на голову субъекта, Cz, выровненный по отметке на скальпе предмета, определите желаемое расположение электродов и отметьте их.
      НЕE: Важно, чтобы все экспериментаторы использовали одну и ту же систему размещения, чтобы обеспечить согласованность во всех экспериментах; Система 10-20 ЭЭГ, которая обычно используется в экспериментах по транскраниальной стимуляции, имеет конкретные рекомендации по поддержанию точного размещения электродов 26 , 28 .
    3. Используя спиртовые и хлопчатобумажные прокладки, очистите волосы и кожу вокруг и вокруг отмеченных пятен на голове головы пациента; Удалять масла и продукты для волос.
    4. Нанесите немного геля на резиновые электроды и плотно прижмите каждый электрод в отмеченных и очищенных местах на голове головы, обеспечивая полный контакт от электрода до проводящего геля до головы с минимальным импедансом.
    5. Используя запасной экранированный сетевой кабель, подключите фильтрующие коробки и защищенные от электромагнитных повреждений кабели к стимулятору и резиновым электродам, как показано на рисунке 1A .
    6. Включите стимулятор и проверьте сопротивление (см.Руководство для деталей). Если импеданс не ниже 20 кОм, надавите электроды на кожу головы или добавьте электродный гель по мере необходимости до тех пор, пока не будет достигнута соответствующая рекомендация по импедансу.
    7. Когда импеданс ниже 20 кОм, позвольте стимулятору вывести ток в течение нескольких секунд, чтобы ознакомить испытуемого с чувственным опытом. Задайте вопрос о чувственном восприятии во время этого теста, в том числе о том, ощущается ли покалывание и может быть выдержано, а также степень или расположение фосфенов во время стимуляции.
    8. На этом этапе предмет готов перейти на сканирующую кровать. Оставив электродный кабель, подключенный к резиновым электродам на предмет, отсоедините стимулятор, запасной кабель LAN и внешние и внутренние коробки фильтров.
    9. Подключите внешнюю коробку фильтра к кабелю локальной сети, который проходит через волновод к МР-сканеру, оставляя как можно меньше видимого сетевого кабеля вне волновода (см . Рис. 1B ). ПодключитеСтимулятор к внешней коробке фильтра с помощью кабеля стимулятора и дважды проверьте, что стимулятор подключен к выходу триггера презентационного компьютера.
  4. Подготовьте предмет внутри МР-сканера.
    ПРИМЕЧАНИЕ. На рисунке 1C показана полная настройка tACS-fMRI во время эксперимента. Крайне важно расположить кабели и внутреннюю коробку фильтра, как указано, с кабелем электрода, расположенным под углом приблизительно 90 ° к плоскости слоя сканера, а внутренняя коробка фильтров опирается на перила сканера с правой стороны сканера скука. Пренебрежение этим может привести к повреждению цепи безопасности электродного кабеля; Эта конфигурация применяется как для открытых, так и для закрытых радиочастотных катушек.
    1. Убедившись, что объект свободен от магнитных материалов и готов к эксперименту с МРТ, переведите объект в комнату сканера.
    2. Приложите наушники для защиты слуха к объекту и дайте указание субъекту лгатьНа кровати сканера, размещая подушки вокруг и под головой и под ногами для удобства и уменьшения движения. При размещении подушек позади головы субъекта обратите особое внимание на то, чтобы проложить электродный кабель плоской и в удобном для пациента месте в течение всего эксперимента.
    3. Дайте тревожному шару и кнопке с защитой от MR-безопасности объекту удерживать, чтобы минимальное движение потребовалось, чтобы нажать кнопку, чтобы ответить в эксперименте.
    4. Закрепите катушку радиочастотной головки над головой объекта с прикрепленным зеркалом, чтобы объект мог видеть экран проекции, отображаемый в правильной ориентации.
    5. Временно закрепите свободный конец электродного кабеля, идущего от резиновых электродов, до места в головной катушке таким образом, чтобы он не улавливался при движении кровати. Рисунок 1D показывает головку объекта, расположенную в головной катушке, с подушками, зеркалом и кабелем tACS на месте bПрежде чем перемещать кровать в центральную головную катушку для визуализации. Фильтрующий ящик также показан на решетке сканера, как пример того, где он должен сидеть относительно головной катушки, когда слой сканера находится в положении измерения.
    6. Переместите лоток сканера в положение измерения. С заднего конца отверстия сканера подключите электродный кабель от резиновых электродов к внутренней коробке фильтра, которая соединяется с кабелем локальной сети, как показано на рисунке 1C . Чтобы предотвратить избыточное движение во время сканирования, закрепите кабели и коробку фильтра вдоль перила сканера, расположенного справа от отверстия, с помощью ленты и мешков с песком. Установите экран проектора в задний конец отверстия сканера.
    7. Протестируйте импеданс на стимуляторе еще раз, чтобы убедиться, что все соединения между кабелями, фильтровальными коробками и стимулятором выполнены правильно.

3. МР-сканирование и эксперимент

  1. Перед началом сканирования проверьте, чтоКомпьютер презентации регистрирует, когда объект нажимает кнопки ответа.
  2. Приобретать аналоговые данные с высоким разрешением T1 с взвешенным взвешиванием ( например , трехмерный турбо быстрый низкоугловой выстрел, время эха (TE): 3,26 мс, время повторения (TR): 2,250 мс, время инверсии: 900 мс, угол поворота 9 °, Изотропное разрешение 1 х 1 х 1 мм 3 ).
    1. После приобретения отрегулируйте контраст и окно на анатомической МРТ до низких и высоких экстремумов, чтобы визуально обнаружить шум во время сканирования, что может быть результатом настройки стимулятора. Продолжайте этот визуальный мониторинг шума одновременно с получением функционального изображения.
  3. Начните эксперимент на компьютере презентации, готовый начать с триггера сканера, и запустите стимулятор, чтобы ждать триггера выхода компьютера презентации. Оставьте стимулятор включенным и подключенным во время эксперимента fMRI, чтобы избежать различий в отношении временного сигнала к шуму (tSNR) между стимуляторомУсловия включения и выключения 22 .
  4. Запустите fMRI-сканирование ( например , двумерное эхо-планарное изображение с градиентом-эхом T2 * с взвешиванием, TE: 30 мс, TR: 2000 мс, угол поворота 70 °, 33 ломтика толщиной 3 мм, отсутствие зазора между срезами при Разрешение в плоскости 3 x 3 мм 2 , 210 томов в течение семи минут сканирования), что инициирует начало эксперимента на компьютере презентации. Контролируйте дисплей стимулятора, чтобы гарантировать, что ток будет отправлен в нужное время на протяжении экспериментальных пробегов.

4. Эксперимент.

  1. После того, как эксперимент запустится и сканирование закончится, отсоедините внутреннюю коробку фильтра от кабеля, подключенного к резиновым электродам, перед перемещением слота сканера, удалите предмет со сканера и удалите электроды, оставив объект свободен для мытья волос.
  2. Выключите стимулятор и подключите его к зарядке. Очистите резиновые электроды водой для их нексT использовать.

Representative Results

На рис. 2 и 3 показаны репрезентативные изображения, полученные для тестов шума оборудования в фантоме и у человека, соответственно. В каждой строке на рис. 2 и 3 показаны репрезентативные осевые срезы из приобретенного объема или расчетной карты, помеченные соответственно над строкой. Самое правое изображение в каждой строке - это сагиттальное представление соответствующего объема или расчетной карты, указывающее расположение осевых срезов с синими линиями. Помимо первой строки, которая иллюстрирует размещение электрода в белом цвете, объем накладывается на взвешенное по T1 изображение на каждой фигуре. Обратите внимание, что на электродах в изображениях, взвешенных по T1, нет искажений или выпадений сигналов. Вторая строка на рисунке 2 показывает характерные функциональные данные МРТ, полученные с помощью установки tACS, и повернутына. В фантоме, показанном на рисунке 2 , обратите внимание, что из-за электродов наблюдается некоторая потеря сигнала и искажение, однако строка 2 на рисунке 3 показывает, что эти искажения не выходят за пределы скальпа у субъекта. Строки 3 и 4 на рис. 2 показывают шумовые измерения в объеме, которые получены с использованием тех же параметров, что и данные fMRI, но без импульса возбуждения RF. Изображения показывают уровень шума в комнате сканера и аппаратного обеспечения MR во время сканирования. Строка три - измерение шума с отключением tACS, а четвертая строка - с tACS. В пятом и шестом строках рисунка 2 показаны карты tSNR для функциональных прогонов с установкой tACS и стимулятором вкл. И выкл. Соответственно. Карты TSNR, рассчитанные по данным, полученным у человека, представлены на рисунке 3 строки три, с отключением tACS и четырьмя, при включенном tACS. Обратите внимание, что нет видимых различийИнтенсивность при сравнении условий стимуляции. Как мы продемонстрировали в предыдущем исследовании, оборудование tACS производит около 5% -ного снижения tSNR на изображениях по сравнению с теми, которые были получены без установки tACS, однако tSNR должен оставаться стабильным в условиях стимуляции вкл / выкл 22 .

На рисунке 4 представлена ​​серия изображений, которая демонстрирует падение сигнала, которое может возникать, когда используются не-MR-совместимые электроды. Срезы из объема fMRI, приобретенного субъектом с электродами, которые могут иметь некоторые металлические загрязнения, показывают падение сигнала ниже электрода, расположенного грубо по первичной моторной коре, как показано красными кругами.

На рисунке 5 показаны результаты эксперимента, тестирующего влияние силы тока 16 Гц Cz-Oz tACS на сигнал BOLD у субъектов, у которых только t Ask - это центральная крестовая фиксация. На протяжении всего эксперимента 12-секундные периоды tACS чередуются с периодами нестимуляции, варьирующимися от 24 до 32 секунд. В псевдоандомизированном порядке tACS применяли с другой силой тока (500 мкА, 750 мкА, 1000 мкА, 1500 мкА) в каждом из четырех прогонов. На рисунке 5А показаны средние значения, связанные с событием сигнала BOLD для статистически значимых кластеров, с увеличением воздействия на сигнал BOLD с повышенной силой тока. Кроме того, на рис. 5В показаны карты T-score, соответствующие текущей силе, иллюстрирующие региональную специфичность эффектов, а также увеличение пространственного эффекта с увеличением силы тока. Стоит также отметить, что активность BOLD во фронтальных областях значительно изменилась, показывая, что модуляция не всегда находится непосредственно под электродами. Для получения дополнительной информации см. Cabral-Calderin и его коллеги 22 .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> На рисунке 6 показаны репрезентативные результаты эксперимента, тестирующего частотную зависимость эффектов tACS во время задачи визуального восприятия. Субъекты сообщили о воспринимаемом направлении бистабильной вращающейся сферы. В то же время tACS применяли с электродами, помещенными в Cz и Oz на одной из трех частот стимуляции (10 Гц, 60 Гц или 80 Гц) в каждом из трех отдельных сеансов. На рисунке 6A показано время эксперимента с визуальным представлением и периодами tACS между Блоки центральной крестовой фиксации. Карты взаимодействия состояний TACS и взаимодействия с частотным эффектом и кластерные пост-hoc-тесты показывают частотно-специфические эффекты в теменной коре с уменьшением tACS на 10 Гц и сигналом увеличения 60 Гц ( рис. 6B ). На рисунке 6C показан T-score Карты конкретных эффектов 60 Гц tACS, выходящие за пределы теменной коры, чтобы включить некоторые затылочныеТаль и лобные области. Подробности эксперимента и анализа см. Cabral-Calderin и др. 22 .

Рисунок 1
Рисунок 1: Настройка TACS в сканере. ( A ) Настройка TACS со всеми необходимыми элементами. Стимулятор и кабели подключены за пределами экранированной комнаты MR. Также показаны колпачок ЭЭГ, рулетка и проводящий гель, используемый для размещения электродов. ( B ) Наружная коробка фильтра и стимулятор, размещенные вне комнаты сканера. Кабель LAN (не показан на рисунке) поступает из комнаты сканера через радиоволновую трубку и подключается к внешней коробке фильтра, при этом как можно меньше кабеля LAN, выходящего за пределы комнаты сканера. Стимулятор должен быть подключен к внешней коробке фильтра, а также к выходному кабелю триггера презентационного компьютера. ( C )Среда сканера с экспериментальной установкой. Описание настройки tACS, включая компьютер представления, компьютер сканера и выход триггера, и проектор. ( D ) Представление предмета для эксперимента. Важные элементы включают подушки, размещение кабелей, зеркало для просмотра и головную катушку. Фильтровальная коробка помещается на перила сканера в качестве примера размещения внутри отверстия. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

фигура 2
Рисунок 2: Оценка качества МР-изображений, полученных призраком. Строка 1: анатомические срезы с аксиальным изображением с высоким разрешением с T1-взвешенным изображением с их позициями, обозначенными синими линиями на сагиттальном срезе справа (также видны в каждом следующем ряду). На сагиттальной плоскости позиции электрода являются В белом цвете. Ряд 2: T2 * - взвешенные эхо-планарные срезы изображения с пурпурными стрелками, указывающими на выпадение сигнала и искажение из-за электродов и / или электродного геля. На сагиттальной плоскости позиционирование соответствующего объема отображается как наложение (также видно в каждом следующем ряду). Строка 3: срезы изображения шума, полученные с помощью экспериментальных параметров fMRI и без импульса возбуждения RF, в то время как установка tACS находится на месте и включена, но не стимулирует. Строка 4: изображение без возбуждения RF, полученное с установкой tACS на месте, и стимулятор включен и стимулируется при 16 Гц. Строка 5: карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, установлена ​​и включена, но не стимулирует. Строка 6: Карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, и стимуляция на 16 Гц. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Рисунок 3: Оценки качества MR Изображения, полученные из предмета. Строка 1: аксиальные срезы анатомического изображения высокого разрешения с их позициями, обозначенными синими линиями на сагиттальном срезе справа (как видно в каждой строке). Позиции электродов проиллюстрированы белым цветом на сагиттальном изображении. Ряд 2: T2 * - взвешенные эхо-плоские срезы изображения, не показывающие отсутствия сигнала из-за электродов и / или электродного геля. На сагиттальной плоскости позиционирование соответствующего объема отображается как наложение (также видно в каждом следующем ряду). Строка 3: Карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, установлена ​​и включена, но не стимулирует. Строка 4: карта TSNR, рассчитанная по данным, полученным с помощью установки tACS, и стимуляция на 16 Гц. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.


Рисунок 4: Отключение сигнала из-за загрязненного электрода. Ломтики из объема МРТ, полученные субъектом, с использованием загрязненного электрода, расположенного примерно над ручкой рулевого механизма двигательной коры. Красные круги указывают области ниже электрода с выпадением сигнала. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5
Рисунок 5: Влияние текущей силы на tACS-модуляция сигнала BOLD. ( A ) F-score Карты, показывающие основной эффект текущей силы на эффект 16 Гц tACS. Значительный основной эффект силы тока в односторонней rANOVA [в пределах Фактор: сила тока (500, 750, 1000, 1500 мкА)] очевидна. Графики показывают средний временной ход события сигнала BOLD для периодов tACS для каждой силы тока. Заштрихованные области указывают на стандартную ошибку среднего значения по предметам. MedialFG = медиальная лобная извилина, IPS = внутрипариетная борозда, IFG = нижняя лобная извилина, PrC = предцентральная извилина, L = левая, R = правая, * кластер не исправлен для нескольких сравнений. ( B ) Карты T-score Отображение активности BOLD Изменяется при tACS 16 Гц для каждой силы тока. Никакого значительного эффекта не обнаружено при 500 мкА tACS. LH = левое полушарие; RH = правое полушарие. Эта картина была изменена от Cabral-Calderin et al. 29 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Рисунок 6: Влияние tACS на сигнал BOLD в задаче визуального восприятия. ( A ) Схематическое представление эксперимента. Визуальный стимул и tACS применялись в блочном дизайне с 30-секундными блоками блокировки tACS, происходящими в течение 120 секунд блоков визуального представления стимула. Каждая частота тестировалась на другом сеансе. SfM = структура-из-движения. ( B ) Состояние TACS и влияние частоты взаимодействия. F-статистические карты, показывающие значимость в двухсторонней rANOVA [внутри коэффициентов: tACS (вкл., Выкл.), Частота (10 Гц, 60 Гц, 80 Гц)] и бета-оценки для двух репрезентативных кластеров в пост-центральной извилине. Непрерывные линии и черные звездочки означают существенные различия для пост-фокусных сравнений для эффектов ВКЛ-ВКЛ 10 Гц по сравнению с 60 Гц и 10 Гц против 80 Гц, а красные звездочки означают значительную разницу для tACS по сравнению с постсоветскими испытаниями. PoC = постцентральная извилина, IPS = внутрипариетальная борозда. ( C ) T-score Карта 60 Гц tACS. Значительные различия в сравнении 60 Гц tACS в зависимости от выключения. Эта картина была перепечатана от Cabral-Calderin et al. 29 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

Здесь мы описали процедуру для одновременной установки и выполнения эксперимента tACS-fMRI с использованием MR-совместимой системы tACS. Некоторые шаги в этой процедуре требуют особого внимания, особенно в отношении настройки объекта. MR-совместимый стимулятор и установка, используемые в этом эксперименте, имеют минимальный импеданс приблизительно 12 кОм только с кабелями, фильтрами и электродами, а производитель рекомендует минимум 20 кОм с электродами, подключенными к объекту; Это требование зависит от продукта и производителя стимулятора. При применении электродов к объекту, если импеданс слишком высок, можно предпринять некоторые шаги, чтобы уменьшить это значение, кроме нажатия на электроды. Например, может быть проще сначала покрыть отмеченные и очищенные места на скальпе электродным гелем, включая волосы, перед нажатием электрода на кожу головы. Это обеспечит распространение тока по непроводящему материалу; Однако,Будьте осторожны, чтобы ограничить покрытие электрода гелем примерно той же площадью поверхности, что и электроды, чтобы направлять ток в желаемую область стимуляции. Обратите особое внимание на это, если электроды находятся близко друг к другу, поскольку текущее шунтирование между электродами может происходить через контакт с электродом с избытком. Если электрод находится на задней части головы, где объект будет укладываться непосредственно на него, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы поместить подушки за голову так, чтобы испытуемый не становился неудобным, поскольку эксперимент продолжается; Этот дискомфорт не может быть проблемой первоначально для субъекта, однако опыт показывает, что боль возникает и увеличивается со временем. Кроме того, как и во всех экспериментах с МРТ, предметное движение представляет собой проблематичные путаницы, поэтому важно, чтобы испытуемый был удобен со всеми кабелями и электродами.

Наиболее важным аспектом рассматриваемой установки является шум, потенциально введенный вК среде MR, которая может вызывать искажения изображения и искажения. Перед экспериментом разумно тестировать артефакты изображений со всей установкой tACS. Можно использовать нормальный сферический фантом, закрепляющий электроды с электродным гелем. Важно обеспечить некоторый способ прохождения тока между электродами, что может быть достигнуто применением большого количества электродного геля по пути от одного электрода к другому. Запустите весь эксперимент, как и планировалось для объекта, включая изменения параметров, такие как частота и ток. Во время сеанса сканирования регулировка контрастности и окон в крайних точках в средстве просмотра изображений на компьютере управления сканером MR позволяет упростить визуальное обнаружение шума. При визуальном мониторинге шума до и во время эксперимента шум может возникать как пики изображения с высокой интенсивностью, образцы, где сигнал не следует измерять или изменять интенсивность во времени, в качестве примеров. Приобретение данных fMRI с возбуждением RFN импульс отключается, дает информацию о шуме среды сканера во время сканирования без получения фактического сигнала изображения (см . Рис. 2 ). Этот тест может быть выполнен в каждом сеансе сканирования. Если есть изменения в шуме, убедитесь, что все кабели не повреждены и хорошо подключены к стимулятору, электродам и фильтрам. Никакие кабели не должны сидеть в петлях. Шум или искажение могут возникать из-за сломанных кабелей, электродов с металлическими загрязнителями в каучуке (несмотря на то, что они продаются как совместимые с MR), а также из-за неправильных соединений, среди других возможностей. Стимулятор управляется батареей, чтобы минимизировать электрический шум в настройке; Убедитесь, что он полностью заряжен перед каждым экспериментом и что он остается включенным и подключается на протяжении всего эксперимента. TSNR в функциональных изображениях будет уменьшаться примерно на 5% при подключенном стимуляторе, однако значения должны быть стабильными в условиях стимуляции 22 . Одновременная транскраниальная электростимуляция-МРТ-тесты oN трупов показали, что нет никаких артефактов, связанных с стимуляцией переменного тока, что является преимуществом по сравнению с стимуляцией 30 постоянного тока. Теоретически, это отсутствие артефактов может быть объяснено чистым током нуля во время получения изображения 30 . Однако для некоторых экспериментов, проведенных в нашей лаборатории, время получения или TR не кратно частоте стимуляции. После проведения шумовых испытаний, упомянутых в этом протоколе, и изучения изображений для артефактов, которые не были видны, мы пришли к выводу, что любая разница в чистом токе от нуля мала и слишком незначительна, чтобы вызвать артефакты.

Еще одна критическая точка для успешных экспериментов заключается в том, что компьютер представления получает триггерный выход сканера и что стимулятор получает триггер с компьютера презентации. Перед экспериментом запрограммируйте дизайн визуального стимула и время, используяЖелаемое программное обеспечение. Эта программа должна использовать триггеры для синхронизации визуального представления стимула с МР-сканером и стимулятором; Он запускается с триггером, который выводится из МР-сканера, а также посылает выходные триггеры на стимулятор при желаемых временах стимуляции. Простой способ проверить связь триггера во время установки - использовать осциллограф, подключенный с помощью BNC-кабеля к выходу триггера сканера, а также выход компьютера презентации. В нашей настройке MR-сканер выводит триггер (переключатель) для каждого приобретенного функционального объема, а компьютер представления выводит сигнал, запрограммированный через программное обеспечение для презентации. Анализ хорошо спроектированного эксперимента критически относится к правильно рассчитанной стимуляции.

Некоторые этапы этого эксперимента могут быть адаптированы по мере необходимости для требований к лабораторным установкам. Например, эта настройка описывает использование проектора и зеркал для визуального представления стимула, однако визуальный стимул ouУстройство tput может быть безопасным для пользователя жидкокристаллическим дисплеем или MR-безопасным монитором, выбранным на основе экспериментальных или лабораторных предпочтений или ограничений. Кроме того, параметры МРТ-сканирования должны быть адаптированы к эксперименту. Стоит отметить, что следует обратить внимание на соответствующий выбор экспериментального контроля для tACS, хотя прямого ответа не существует. Кратковременная стимуляция 30 секунд может имитировать соматосенсию, вызванную tACS, которая в конечном итоге уменьшает длительную стимуляцию; Однако некоторые исследования показывают, что даже короткие периоды стимуляции могут вызвать колебательное увлечение 12 . Другим возможным контролем, который можно использовать для tACS, является стимулирование использования неэффективной частоты или, другими словами, различной частоты от интереса. Исключением здесь было бы то, что соматочувствительность и восприятие фосфена варьируются в зависимости от частоты стимуляции 31 . Наконец, в отношении субъективного опыта стимулаЧто для лучшего восприятия субъективной изменчивости учитывают, что tASS-индуцированные фосфены различаются, поэтому рассмотрим возможность использования детальной системы оценки восприятия фосфена и проведем некоторое время с субъектом, описывающим различные особенности фосфенов ( например , местоположение, интенсивность), которые Может возникнуть, чтобы субъект мог внимательно оценить свой опыт во время стимуляции 32 , 33 .

Представленные здесь результаты показывают, что эффекты tACS зависят от тока, зависят от частоты и что модуляция не ограничена областями ниже электродов, но распространяется на отдаленные, вероятно, функционально связанные области. Одним из ограничений этого метода является временное разрешение fMRI, а также ответ BOLD. Сбор данных и гемодинамический ответ не так быстро, как частота стимуляции или электрическая активность мозга, поэтому прямые взаимодействия с частотой-специфические эффекты tACS не могут быть измерены. Однако, учитывая, что наибольшая доля научной литературы эффектов tACS связана с поведенческими исследованиями и что tACS, очевидно, влияет на всю сложную нейронную систему, ясно, что одновременные эксперименты tACS-fMRI могут многое предложить для информирования нас о tACS-эффектах в мозг. ЭЭГ и МЭГ предлагают информацию о уровне временных разрешений, которые соответствуют темпам нейронной активности. Тем не менее, ЭЭГ и МЭГ страдают от пространственного разрешения и ограничений на глубину коры или в вычислительных интенсивностях восстановления источников. Частота стимуляции и гармонические артефакты, превосходящие интересные сигналы мозга, записанные на тех же частотах, еще более усложняют анализ ЭЭГ и МЭГ. Для решения некоторых из этих проблем были применены новаторские обходные пути. Helfrich et al. Использовал новый метод удаления артефакта tACS из данных ЭЭГ с использованием вычитания шаблона артефактов и анализа основных компонентов 15 34 . С целью применения tACS в исследованиях для лучшего понимания нормальной и аномальной функции мозга и в конечном итоге клинически для диагностики или терапии, tACS следует отдельно комбинировать с EEG, MEG и fMRI, чтобы дополнительно установить передовые методы для конкретных желаемых эффектов, которые могут быть адаптированы Особенно для отдельных лиц. Когда такая практика будет установлена, могут быть проведены эффективные исследования для лучшего понимания функции нейронных колебаний ( например , четкого определения функциональных ролей и отношений разных полос частот) и их модуляции с tACS (Например, происходит ли механизм посредством увлечения или пластических изменений 35 ).

Рассматривая будущие направления, описанная здесь установка приспособлена для экспериментов с МРТ, изучающих восприятие или познание, как продемонстрировали описанное здесь исследование структуры и движения, и другие. Кабрал-Кальдерин и его коллеги показали, что активация в областях затылочной коры зависит от частоты задачи и частоты tACS в эксперименте 22 по наблюдению за просмотром видео. В одновременном исследовании fMRI tACS-покоящегося состояния, Кабрал-Кальдерин и его коллеги показали частотно-зависимые эффекты tACS на собственные функциональные соединения и сети состояний покоя 23 . Vosskuhl et al . Комбинированные tACS и fMRI, чтобы показать уменьшение BOLD во время задачи визуальной бдительности при индивидуальной стимуляции альфа-частоты 24 . Алексей и его коллеги показали, что непосредственные последствия 10 Гц tACS модулируют сигнал BOLD во время визуального восприятия клетчатых колец и клиньев, что указывает на изменение нервного метаболизма задачи пассивного восприятия 36 . Эти исследования создали основу для одновременных исследований tACS-fMRI для исследования функциональных механизмов на многих уровнях, от метаболизма до познания. На таком раннем этапе использования tACS для трансляционных исследований существует большой потенциал для одновременных экспериментов tACS-fMRI, чтобы добавить к пониманию как метода стимуляции, так и вклада колебаний в когнитивные функции.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим Илону Пфахлер и Бритту Перл за техническую помощь во время экспериментов по функциональной визуализации и Северина Хеумюллера за отличную компьютерную поддержку. Эта работа была поддержана Фондом Германа и Лилли Шиллинга и Центром наномасштабной микроскопии и молекулярной физиологии мозга (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Thut, G. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12 (12), e1002032 (2014).
  2. 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).
  3. Jausovec, N., Jausovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).
  4. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).
  5. 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).
  6. Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Wilke, M. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (7), 1298-1307 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Sabel, B. A., et al. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29 (6), 493-505 (2011).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Alagapan, S., et al. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14 (3), e1002424 (2016).
  15. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  16. Neuling, T., Zaehle, T., Herrmann, C. Simultaneous recording of EEG and transcranial electric stimulation. International Journal of Psychophysiology. 77 (3), 312 (2010).
  17. Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5 (11), e13766 (2010).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , 89-98 (2016).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).
  27. Nitsche, M. A., et al. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114 (11), 2220-2222 (2003).
  28. Poeppl, T. B., et al. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36 (6), 2374-2386 (2015).
  29. 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).
  30. Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85 (Pt 3), 1040-1047 (2014).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Schutter, D. J., Hortensius, R. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (7), 1080-1084 (2010).
  34. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. , (2015).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

Поведение выпуск 124 транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) колебания частота неинвазивная стимуляция мозга
Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная томография
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Williams, K. A., Cabral-Calderin,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter