Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är ett lovande verktyg för icke-invasiv utredning av hjärnoscillationer, även om effekterna inte är fullständigt förstådda. I denna artikel beskrivs en säker och pålitlig inställning för att applicera tACS samtidigt med funktionell magnetisk resonansbildning, vilket kan öka förståelse av oscillerande hjärnfunktion och effekter av tACS.
Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är ett lovande verktyg för icke-invasiv undersökning av hjärnoscillationer. TACS använder frekvensspecifik stimulering av den mänskliga hjärnan genom ström applicerad på hårbotten med ytelektroder. Teknikens senaste kunskap är baserad på beteendestudier; Således kombinerar metoden med hjärnbildning potential för att bättre förstå mekanismerna för tACS. På grund av elektriska och mottagliga artefakter kan kombinering av tACS med hjärnbilder vara utmanande, men en hjärnbildsteknik som är väl lämpad att appliceras samtidigt med tACS är funktionell magnetisk resonansbildning (fMRI). I vårt laboratorium har vi framgångsrikt kombinerat tACS med samtidiga fMRI-mätningar för att visa att tACS-effekterna är statliga, aktuella och frekvensberoende, och att modulering av hjärnaktivitet inte är begränsad till området direkt under elektroderna. Den här artikeln beskriver en säker och pålitlig uppsättningUpp för att applicera tACS samtidigt med fMRI-studier med visuell uppgift, vilket kan ge upphov till förståelse för oscillatorisk hjärnfunktion samt effekterna av tACS i hjärnan.
Transcranial växelströmsstimulering (tACS) är en icke-invasiv hjärnstimuleringsteknik med löftet att undersöka neurala svängningar och frekvensspecifika hjärnfunktioner hos friska individer samt att studera och modulera svängningar i kliniska populationer 1 . Med hjälp av två eller flera ledande elektroder placerad i hårbotten appliceras sinusformiga vågor med låg ström (1-2 mA topp-till-topp) till hjärnan vid en önskad frekvens för att interagera med pågående neurala svängningar. TACS-studier har uppmätt frekvens- och uppgiftsspecifika beteende- eller kognitiva moduleringar inklusive men inte begränsat till motorfunktion 2 , arbetsminneprestanda 3 , somatosensation 4 och visuell uppfattning 5 , 6 , 7 . Att applicera växelström på ett icke-invasivt sätt har också resulterat i funktionellFörbättring hos neurologiska patienter, såsom tremorreduktion i Parkinsons sjukdom 8 , förbättrad syn i optisk neuropati 9 och förbättrad talhastighet, sensorisk och motoråtervinning efter stroke 10 . Trots ett ökande antal studier som använder tACS för forskning och bevis på dess terapeutiska potential i kliniska miljöer, är effekterna av denna teknik inte fullt ut karakteriserad, och dess mekanismer är inte fullständigt förstådda.
Simuleringar och djurstudier kan ge insikt i effekterna av växelströmsstimulering vid den cellulära eller neurala nätverksnivån under kontrollerade tillstånd 11 , 12 , men med tanke på tillståndsberoende av effektiva stimuleringstekniker 13 , 14 avslöjar sådana studier inte hela bilden . Kombination av tACS med neuroimaging teknikerSom elektroencefalografi (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografi (MEG) 18 , 19 , 20 eller funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 kan informera om systemnivåmodulering av hjärnfunktion. Men varje kombination kommer med tekniska utmaningar, främst på grund av stimuleringsinducerad artefakter vid mätning av frekvenser av intresse 15 . Fastän den tidsmässiga upplösningen av fMRI inte kan matcha EEG- eller MEG-mätningar, är dess rumsliga täckning och upplösning i kortikala och subkortiska hjärnregioner överlägsen.
Nyligen visade vi i en kombinerad tACS-fMRI-studie att effekterna av tACS på blodets syrebildningsnivå dEpendent (BOLD) -signalen uppmätt med fMRI är både frekvens och uppgiftsspecifik och att stimuleringen inte nödvändigtvis utövar sin största effekt direkt under elektroderna, men i områden som ligger längre bort från elektroderna 22 . I en efterföljande studie undersökte vi effekten av tACS elektrodposition och frekvens på nätverksfunktionen med hjälp av amplitud av lågfrekventa fluktuationer och vilolägesfunktionell anslutning, inklusive användning av korrelationsfrön från de mest direkt stimulerade regionerna, som härleddes från ämnesbaserad strömtäthet simuleringar. Mest i synnerhet i denna studie framkallade alfa (10 Hz) och gamma (40 Hz) stimulering ofta motsatta effekter i nätverksanslutning eller på regional modulering 23 . Dessutom var det mest vilande nätverksnätverket som var det vänstra fronto-parietala kontrollnätet. Dessa studier belyser potentialen för att använda fMRI för att bestämma optimala parametrar för effektiv, kontrollerad stimulation. Dessutom bidrar de till bevis för att bortsett från kontrollerade parametrar, såsom uppgiftstillstånd och tidpunkt, stimuleringsfrekvens och elektrodpositioner, finns det subjektspecifika faktorer som påverkar framgången för tACS. Exempel på ämnesegenskaper som översättas som okontrollerbara variabler vid optimering av stimuleringsparametrar är inneboende funktionell anslutning, endogen oscillations toppfrekvens ( t.ex. individuell alfafrekvens) och skalle och hudtjocklek 25 . Med tanke på den aktuella litteraturen om tACS krävs flera studier som kombinerar tACS med neurala mätningar som neuroimaging för att fastställa omfattande förfaranden för effektiva hjärnstimuleringstekniker.
Här beskriver vi en säker och tillförlitlig inställning för experiment som tillämpar tACS samtidigt med fMRI av en visuell uppgift, med fokus på aspekter av installation och exekvering som ger framgångsrikt synkroniserad tACS med artefaktfria förvärv av fMRI-data.
Här har vi beskrivit proceduren för ett simultant tACS-fMRI-experiment setup och körning med ett MR-kompatibelt tACS-system. Några steg i denna procedur kräver särskild uppmärksamhet, särskilt med avseende på ämnesinstallationen. Den MR-kompatibla stimulatorn och inställningen som används i detta experiment har en minsta impedans på ca 12 kΩ endast med kablar, filterkasser och elektroder och tillverkaren rekommenderar 20 kΩ minsta impedans med elektroder anslutna till motivet. Detta krav beror på stimulatorprodukt och tillverkare. När elektroderna appliceras på motivet, om impedansen är för hög, kan vissa steg vidtas för att minska detta värde bortsett från att trycka på elektroderna. Det kan till exempel vara lättare att först täcka de markerade och rengjorda platserna i hårbotten med elektrodgel, inklusive håret, innan du trycker på elektroden på hårbotten. Detta kommer att säkerställa att nuvarande spridning över det icke ledande materialet dock,Var försiktig med att begränsa elektrodgeldäckningen till ungefär samma ytarea som elektroderna till likström spridas till önskat stimuleringsområde. Var särskilt uppmärksam på detta om elektroderna är nära varandra, eftersom strömavstängning mellan elektroderna kan ske genom överskott av elektrodgelkontakt. Om elektroden befinner sig på baksidan av huvudet där ämnet kommer att ligga direkt på det, måste särskild försiktighet göras för att placera kuddar bakom huvudet så att ämnet inte blir obehagligt när försöket fortsätter. Detta obehag kan inte vara ett problem för patienten, men erfarenheten visar att smärta uppstår och ökar med tiden. Dessutom, som med alla fMRI-experiment, introducerar subjektiv rörelse problematiska confounds, så det är viktigt att motivet är bekvämt med alla kablar och elektroder på plats.
Den viktigaste aspekten av installationen att överväga är det buller som potentiellt introduceras iTill MR-miljön som kan inducera bildartefakter och snedvridningar. Före experimentet är det klokt att testa för bildartefakter med hela tACS-inställningen på plats. Ett normalt sfäriskt fantom kan användas, vilket säkrar elektroder med elektrodgel. Det är viktigt att tillhandahålla något sätt för strömmen att röra sig mellan elektroder, vilket kan åstadkommas genom att applicera en generös mängd elektrodgel i en väg från en elektrod till den andra. Kör hela experimentet, som planerat för ämnet, inklusive parametervariationer som frekvens och ström. Under skanningssessionen möjliggör justering av kontrast och fönstret till ytterligheter i bildvisaren på MR-skannerns kontrolldatorn enklare visuell detektering av ljud. När man visuellt övervakar buller före och under experimentet kan brus inträffa som piggar i bilden med hög intensitet, mönster där signalen inte bör mätas eller varierande intensitet över tid, som exempel. Förvärvning av fMRI-data med RF excitatioN-puls avstängd ger information om skannerens miljöljud under skanning utan att förvärva den faktiska bildsignalen (se figur 2 ). Detta brusprov kan göras i varje skanningssession. Om det finns variationer i bruset, kontrollera att alla kablar är intakta och väl anslutna till stimulator, elektroder och filterlåda. Inga kablar ska sitta i slingor. Buller eller snedvridning kan uppstå av trasiga kablar, elektroder med metallföroreningar i gummit (trots att de säljs som MR-kompatibla) och felaktiga anslutningar, bland andra möjligheter. Stimulatorn är batteridriven för att minimera det elektriska bruset i installationen. Se till att det är fulladdat före varje experiment och att det stannar kvar och ansluts under experimentet. TSNR i funktionella bilder kommer att minska cirka 5% med stimulatorn ansluten, men värdena bör vara stabila över stimuleringsförhållandena 22 . Samtidig transkraniell elektrisk stimulering-fMRI test oN cadavers har visat att det inte finns några artefakter associerade med växelströms stimulering, vilket är en fördel jämfört med likströmsstimulering 30 . Teoretiskt kan denna brist på artefakter förklaras av en nettoström av noll vid den tid bilden förvärvas 30 . För vissa av de experiment som utförs i vårt laboratorium är emellertid förvärvstiden eller TR inte ett multipel av stimuleringsfrekvensen. Efter att ha utfört de bullerprov som nämns i detta protokoll och undersöker bilder för artefakter, som inte var synliga, kom vi fram till att någon skillnad i nätström från noll är liten och för försumbar att framkalla artefakter.
En annan kritisk punkt för framgångsrika experiment är att presentationsdatorn mottar avtryckaren från scannern och att stimulatorn tar emot avtryckaren från presentationsdatorn. Före experimentet programmera du visuell stimulansdesign och timing med hjälp av thE önskad programvara. Detta program måste använda triggers för att synkronisera visuell stimulanspresentation med MR-scannern och stimulatorn; Det initieras med en utlösare som matas ut från MR-skannern och skickar också utmatningsutlösare till stimulatorn vid önskade stimuleringstider. Ett enkelt sätt att kontrollera utlösningskommunikation under installationen är att använda ett oscilloskop som är fäst med en BNC-kabel till scannerns utlösningsutgång samt presentationsdatorns utgång. I vår inställning matar MR-skannern en utlösare (växla) för varje funktionsvolym som förvärvas, och presentationsdatorn matar ut en signal som programmeras via presentationsprogrammet. Analysen av ett välformat experiment ligger kritiskt på ordentligt stimulerad stimulering.
Några steg i detta experiment kan anpassas efter behov för laboratorieinställningskraven. Till exempel beskriver denna inställning med en projektor och speglar för visuell stimulanspresentation, dock den visuella stimulansenTput-enheten kan vara MR-säker flytande-kristall-skyddsglasögon eller en MR-säker monitor, vald utifrån experiment och laboratoriepreferenser eller begränsningar. MRI-skanparametrar bör också skräddarsys för experimentet. Det är värt att notera att man bör uppmärksamma lämpligt val av experimentell kontroll för tACS, även om ett enkelt svar inte existerar. En kort skamstimulering av 30 sekunder kan efterlikna den somatosensation som induceras av tACS som i slutändan minskar med långvarig stimulering; Vissa studier visar dock att även korta stimuleringsstimuler kan inducera oscillatorisk entrainment 12 . En annan möjlig kontroll som kan användas för tACS är att stimulera att använda en icke-effektiv frekvens, eller med andra ord en annan frekvens än den som är intresserad. Undantaget här skulle vara att somatosensation och fosfensuppfattning varierar beroende på stimuleringsfrekvensen 31 . Slutligen beträffande subjektiva upplevelser av stimTacS-inducerade fosfener varierar mellan individer, så för att bäst fånga ämnesvariationen bör du överväga att använda ett detaljerat klassificeringssystem för fosfensuppfattning och spendera tid med ämnet som beskriver de olika egenskaperna hos fosfener ( t.ex. placering, intensitet) som Kan uppstå så att ämnet kan noggrant utvärdera sin eller hennes erfarenhet under stimulering 32 , 33 .
De representativa resultaten som visas här tyder på att tACS-effekterna är aktuella beroende, frekvensberoende och att moduleringen inte är begränsad till regionerna under elektroderna, men sträcker sig till avlägset, troligen funktionellt anslutna regioner. En begränsning av denna teknik är den tidsmässiga upplösningen av fMRI såväl som av BOLD-svaret. Datainsamlingen och det hemodynamiska svaret är inte så fort som stimulansfrekvensen eller den elektriska aktiviteten i hjärnan, så direkta interaktioner med frekvensen-specifika effekter av tACS kan inte mätas. Med tanke på att den största delen av vetenskaplig litteratur om tACS-effekter är av beteendestudier och att tACS uppenbarligen påverkar ett helt komplicerat neuralt system är det uppenbart att samtidiga tACS-fMRI-experiment har mycket att erbjuda för att informera oss om tACS-effekter i hjärnan. EEG och MEG erbjuder insikter på nivån av tidsmässiga upplösningar som matchar neurala aktivitetsnivåer. EEG och MEG lider emellertid av rumsupplösning och kortikala djupbegränsningar eller beräkningsmässigt intensiva källrekonstruktionstekniker. Stimuleringsfrekvens och harmoniska artefakter som överväger hjärnsignaler av intresse som registreras vid samma frekvenser komplicerar ytterligare EEG- och MEG-analyser. Innovativa lösningar har tillämpats för att ta itu med några av dessa utmaningar. Helfrich et al. Anställde en ny teknik för att avlägsna tACS-artefakt från EEG-data med användning av en artefaktmall-subtraktion och principkomponentanalys 15 </supp>. De visade att 10 Hz tACS applicerade parieto-occipitalt ökar alfaaktiviteten i parietala och occipitala cortices och inducerar synkronisering i kortikala oscillatorer som fungerar vid liknande inneboende frekvenser. Witkowski och kollegor tillämpade amplitudmodulerade tACS och framgångsrikt skapade MEG-baserade kortikala kartor med medföljande hjärnoscillationer 34 . Med målet att tillämpa tACS i forskning för att bättre förstå normal och onormal hjärnfunktion, och så småningom kliniskt för diagnostik eller terapi, bör tACS kombineras separat med EEG, MEG och fMRI för att komplementärt upprätta bästa praxis för specifika önskade effekter som kan skräddarsys Specifikt till individer. När sådana metoder etableras kan effektiva undersökningar genomföras för att bättre förstå funktionen hos neurala svängningar ( t.ex. tydligt definierande funktionella roller och relationer hos olika frekvensband) och deras modulering med tACS (T ex om mekanismen uppstår genom entrainment eller plastförändringar 35 ).
Med tanke på framtida riktningar är den inställning som beskrivs här skräddarsydd för fMRI-experiment som studerar uppfattningen eller kognitionen, som den struktur-from-motion-studie som beskrivits här och andra har visat. Cabral-Calderin och kollegor visade att aktivering i områden av den occipitala cortexen var beroende av uppgift och tACS-frekvens i ett video-tittande jämfört med fingeravtrycksexperiment 22 . I en samtidig tACS-vilande tillstånd fMRI-studie visade Cabral-Calderin och kollegor frekvensberoende effekter av tACS på inbyggda funktionella anslutningar och vilolägesnät 23 . Vosskuhl et al . Kombinerad tACS och fMRI för att visa BOLD minskning under en visuell vaksamhet uppgift vid individuell alfa frekvens stimulering 24 . Alekseichuk och kollegor visade att omedelbara efterverkningar av 10 Hz tACS modulerar BOLD-signalen under en visuell uppfattning av rutiga ringar och kilar, vilket indikerar en förändring i neuralt metabolism av en passiv uppfattningsuppgift 36 . Dessa studier satte scenen för samtidiga tACS-fMRI-studier att undersöka funktionella mekanismer på många nivåer, från metabolism till kognition. På ett så tidigt stadium i användningen av tACS för translationell forskning finns det stor potential för simultana tACS-fMRI-experiment för att öka förståelsen för både stimuleringstekniken och oscillationsens bidrag till kognitiva funktioner.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Ilona Pfahlert och Britta Perl för tekniskt bistånd vid funktionella bildanalyser och Severin Heumüller för utmärkt datorstöd. Detta arbete stöddes av Herman och Lilly Schilling Foundation och Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (CNMPB).
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 |