Yöntem makalesi

Transkraniyal manyetik stimülasyon ile transkranyal alternatif akım stimülasyon Online kombine yaklaşım tarafından birincil Motor korteks üzerinde etkileri

DOI:

10.3791/55839

⸱

23 Eylül 2017

 ,  , 
1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transkraniyal alternatif akım stimülasyon (şeker) kortikal uyarılabilirlik modülasyon bir frekans özgü biçimde sağlar. İşte "Motor uyarılmış potansiyeller ile kortikal uyarılabilirlik probe için" tek darbe Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) ile online tACS birleştiren benzersiz bir yaklaşım göstermektedir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transkraniyal alternatif akım stimülasyon (şeker) sinüsoidal elektrik dalga biçimleri belirli bir frekans ile hareket ve sırayla devam eden kortikal salınım hareketlilik modüle bir neuromodulatory tekniktir. Bu neurotool endojen salınım etkinlik ve davranış arasında nedensel bir bağlantı kurulmasını sağlar. TACS çalışmaların en online tACS etkilerini göstermiştir. Ancak, küçük tarihinde elektroansefalografi (EEG) sinyalleri AC kaynaklı eserler nedeniyle bu teknik temel eylem mekanizmaları hakkında bilinir. İşte kortikal uyarılabilirlik değişiklikleri soruşturma için tek darbe Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) kullanarak tACS birincil motor korteks (M1) online fizyolojik frekans özel etkilerini araştırmak için benzersiz bir yaklaşım göstermektedir. Motor uyarılmış potansiyeller (milletvekilleri) devam eden M1-tACS etkilerini test etmek için toplanan iken bizim kurulum, TMS bobin üzerinde tACS elektrot yerleştirilir. Şimdiye kadar bu yaklaşım görsel ve motor sistemleri eğitim için esas olarak kullanılmıştır. Ancak, geçerli tACS-TMS kurulumu bilişsel fonksiyonların gelecekteki araştırmalar için önünü. Bu nedenle, biz bir adım adım kılavuz ve video yönergeleri için yordamını sağlar.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transkraniyal elektriksel stimülasyon (tES) nöronal durumları farklı geçerli dalga biçimleri1arasında değişimini sağlayan bir neuromodulatory tekniktir. TES farklı türleri arasında belirli frekans aralığında sinüsoidal dış salınım potansiyelleri teslimini ve fizyolojik sinirsel aktivite algısal temel modülasyon Transkraniyal alternatif akım stimülasyon (şeker) sağlar, motor ve Bilişsel süreçler2. TACS kullanarak, endojen salınım etkinlik ve beyin süreçleri arasındaki olası nedensel bağlantılar araştırmak mümkündür.

Vivo, nöronal ateş elektriksel olarak uygulanan alanlar3tarafından entrained olduğunu düşündüren farklı sürüş frekanslarda sinirsel aktivite spiking eşitlenir gösterilmiştir. Hayvan modellerinde, zayıf sinüsoidal tACS yaygın kortikal nöronal havuzu4taburcu sıklığını entrains. İnsanlarda, online elektroansefalografi (EEG) ile kombine tACS beyin salınım frekansı özgü şekilde5ile etkileşerek endojen salınım etkinlik sözde "Sürüklenme" etkisi indüksiyon sağlar. Ancak, online mekanizmaları daha iyi anlamak için beyin görüntüleme yöntemleri ile tACS birleştirerek AC kaynaklı eserler6nedeniyle hala tartışmalıdır. Buna ek olarak, doğrudan bir şüpheli çözüm7olan bir yüzük benzeri elektrot kullanmadan EEG sinyal uyarılmış hedef alan üzerinde kaydetmek mümkün değildir. Böylece, bu konuyla ilgili sistematik çalışmalar eksikliği vardır.

Şimdiye kadar stimülasyon bırakma sonra tACS kalıcı etkileri konusunda açık hiçbir kanıt yoktur. Sadece bir kaç çalışmalar tACS zayıf ve belirsiz sonrası etkileri üzerinde motor sistemi8göstermiştir. Ayrıca, EEG kanıt hala değil tACS9sonrası etkileri hakkında anlaşılmaktadır. Öte yandan, en şeker çalışmaları tanınmış online etkileri10,11,12,13,14,15,16 gösterdi , 17 , fizyolojik bir düzeyde teknik kısıtlamaları nedeniyle ölçmek zor olan 18. Böylece, bizim yöntem genel amacı tek darbe Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) sunarak online ve frekans bağımlı etkilerini tACS motor korteks (M1) test etmek için alternatif bir yaklaşım sağlamaktır. TMS araştırmacılar "insan motor korteks19fizyolojik durumunu araştırmak" sağlar. Ayrıca, konunun kontralateral yandan Motor uyarılmış potansiyeller (MEP) kaydederek, devam eden tACS11etkileri araştırabilirsiniz. Bu yaklaşım bize doğru değişiklikleri izlemek corticospinal uyarılabilirlik artifakı ücretsiz bir şekilde farklı frekanslarda teslim online elektriksel stimülasyon sırasında MEP genlik ölçerek sağlar. Buna ek olarak, bu yaklaşım aynı zamanda online tES diğer herhangi bir dalga etkileri test edebilirsiniz.

Kombine tACS-TMS efektleri göstermek için biz Protokolü birincil motor korteks (M1) 20 Hz AC stimülasyon uygulayarak 5 3 rasgele aralıklarla tarafından serpiştirilmiş olan TMS teslim online neuronavigated tek darbe sırasında gösterecektir M1 test etmek için s kortikal uyarılabilirlik.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

tüm yordamları daha yüksek School of Economics (HSE), Moskova, yerel araştırma Etik Komitesi tüm katılımcıların onayı ile kabul edildi.

Not: katılımcı yerleştirilmiş metal aygıtları, nörolojik ya da psikiyatrik hastalık, uyuşturucu veya alkolizm geçmişi yok rapor gerekir. TMS en son güvenlik yönergeleri 20 göre kullanılır. Konular tam deneme başlamadan önce araştırma ve işaret bir Onam formu doğası haberdar edilmelidir. Biz bütün bir set baskın M1 uyarılması tarafından online kombine tACS-TMS protokolü çalıştırmak için gerekli ekipman göstermek ( şekil 1; Tablo malzemelerin).

1. Bipolar göbek-tendon montaj yer Elektromiyografi (EMG) elektrotlar

  1. düşük cilt empedans (aşağıda 10 kOhm) elde etmek için tüm elektrotlar altında temizlik bir bodur kullanarak cilt temizlik.
  2. İlk dorsal interosseöz (FDI) kas üzerinde etkin EMG elektrot, referans elektrot kemik üzerinde yer 2 cm klemple ve zemin elektrot daha proksimale kol üzerinde

2. Hedef için stimülasyon protokolü tanımlayan

Not: Burada, çerçevesiz TMS navigasyon sistemi TMS bobin uygun konumlandırma elde etmek için kullanırız.

  1. Yer izleme sensörler glabella kaşlar arasında ve katılımcının burun üstü yere.
  2. Navigasyon sistemi yazılımını açın. Bireysel katılımcılar kullanın ' yapısal T1 manyetik rezonans görüntüleme (MRG) veri ve katılımcının bir co-kayıt gerçekleştirmek ' s baş ve navigasyon sistemi ile 3D bir MRI baş.
  3. Doğru bir şekilde yerleştirmek bobin birincil motor el-alana, sözde " motor topuzu " bölgesi ( Şekil 2).
  4. Tek darbe TMS uygulamaya başlamak ve Parlamento üyeleri test; TMS bir uyarıcı tarafından teslim edilir (Tablo malzemeleri görmek) standart bir sekiz şekli 75 mm bobini bağlı. Yerelleştirmek için " hotspot " sol M1 bobin teğet kafa derisi, geriye doğru ve yanal, işaret kulplu katılımcı orta hat sagittal eksenden 45 ° açılı tutun ' s baş.
  5. Hotspot (Yani, alabilme milletvekilleri, eşik kontralateral üzerinden incelendiğinde el kasları kafa derisi noktası) bulunduğunda tACS hedef elektrot uygulanmasının kolaylaştırılması için kalemle işaretlemek.

3. tACS elektrotlar hazırlık

  1. bağlanmak 2 yüzey salin batırılmış sünger elektrotlar (Boyut: 5 cm x 7 cm) stimülasyon aygıt için hangi elektrik alternatif akım (Örneğin, Brainstim) üretebilir.
  2. Cilt hissi en aza indirmek için sürekli elektrotlar impedances bütün stimülasyon oturum boyunca 10 kOhm aşağıda tutmak için serum fizyolojik bir çözüm ile emdirmek.

4. tACS Protokolü ayarla'yı

  1. uyarıcı aygıt kullanarak tACS protokol hazırlamam için ilk pil durumu kontrol.
  2. Yazılımı kullanarak, yeni bir oturum açın ve yeni bir stimülasyon Protokolü yönetmek.
    1. İletişim kuralı adı (Örneğin, " Beta ").
    2. Uyarım sıklığını ayarla (Örneğin, 20 Hz).
    3. Dalga biçimi (Örneğin, sinüs) seçin.
    4. Stimülasyon Protokolü (Örneğin, 600 s) toplam süresini ayarla.
    5. Son olarak, stimülasyon (Örneğin, 1 mA) yoğunluğunu ayarlamak, Küme Ofseti, artarak başla, kararır ve, faz " 0 ".
      Not: ve stimülasyon solmaya küçük bir zamanlama (yaklaşık 30 s), konu için herhangi bir olumsuz ya da rahatsız neurosensory etkileri önlemek için önerilir.
    6. Aygıtı etkinleştirmek ' s " Bluetooth " işlev ve uyarıcı yazılımından protokole upload.

5. tACS elektrotlar montaj

  1. yer " hedef " elektrot işaretli noktaya karşılık gelen kafa derisi üzerinden. Yer " başvuru " elektrot kullanarak belirli yapışkan bant, Ipsilateral omuz üzerinden bir " monopolar montaj " 21.
  2. Dikkatle ilk elastik askı başında nöro-navigasyon baş-sensörler konumu ile ilgili olarak ayarlayın. Sonra ikinci kayışı kullanarak, hedef elektrot pozisyon düzeltmek.
  3. TACS elektrotları kafa derisine ve Ipsilateral omuz yerleştirilir sonra onları bağlamak için uyarıcı.
  4. Stimülasyon oturum başlamadan önce hedef elektrot konumunu üzerinde işaretli etkin nokta ortalanır görsel denetim tarafından olun.

6. Dinlenme Motor eşik (RMT) tanımlayan

  1. TMS bobin üzerinde hedef tACS elektrot ve nöro-navigasyon sistemi kullanarak hotspot ( şekil 3) üzerinde dikkatle bobin konumunu ayarlamak yer.
  2. Ölçmek RMT buna göre kombine tACS-TMS kurulum (Yani, elektrot üzerinden TMS bobin). Özellikle, sipariş için güvenilir bir RMT kontrol etmek için tACS elektrot kalınlığı ile ilgili olarak TMS yoğunluğunu ayarlayın.
    1. Tek tek RMT ölçmek, 50 bir genliği ile DYY kas bir MEP ikna etmek için gerekli en düşük yoğunluk olarak tanımlanan mV (tepe-tepe) 5 10 denemeler 22.
  3. Deneysel oturumunu başlatmak için %110 RMT olarak TMS stimülasyon yoğunluğunu ayarlamak.

7. deneysel bir işlem

  1. EMG yazılımını açın ve EMG kaydını başlat seçimini yapın.
  2. TACS stimülasyon başlatın.
  3. 5 saniye 3 rasgele aralıklarla tarafından serpiştirilmiş TMS tek bakliyat stimülasyon sırasında teslim.
  4. Emin olmak her seans stimülasyon (sahte/başka bir denetime frekans tarafından takip Örneğin, 20 Hz tACS stimülasyon) mümkün ertelenmiş etkisini önlemek için yaklaşık 3 dakika, en fazla 90 saniye arası oturum zaman aralığı ile sürmektedir önceki stimülasyon frekans/koşul 11 , 13.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

TACS/TMS kombine yaklaşım ilk kanıtı Kanai vd tarafından 2010 yılında gösterildi. Bu çalışmada yazarlar tACS Primer görsel korteks (V1) uygulanan ve online TMS kaynaklı fosfin algı15tarafından ölçülen görsel kortikal uyarılabilirlik bir frekans özgü modülasyon gösterdi. İletişim kuralı daha rafine bir sürüm motor korteks uyarılabilirlik fizyolojik bir modülasyon araştırmak için Feurra vd tarafından 2011 yılında kabul edilmiştir. Devam eden tACS (<...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu yaklaşım doğrudan kayıt milletvekilleri aracılığıyla corticospinal çıkış ölçerek tACS birincil motor korteksin online etkilerini test etmek için eşsiz bir fırsat temsil eder. Ancak, TMS bobin üzerinde tACS elektrot yerleştirme doğru bir şekilde gerçekleştirilmesi gereken önemli bir adım temsil eder. Bu nedenle, öncelikle Denemecileri bir hedef noktası tek tarafından TMS, nabız sonra kafa derisi üzerinde işaretlemek ve, bundan sonra sadece tACS elektrot hotspot üzerinde yer öneririz. Ayrıca, bir neuronavigation sistem ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmada Rus bilim Vakfı tarafından desteklenen hibe (sözleşme numarası: 17-11-01273). Andrey Afanasov ve televizyon tekniği (Ulusal Araştırma Üniversitesi, daha yüksek School of Economics, Moscow, Rusya Federasyonu) için çok fonksiyonlu yenilik Merkezi meslektaşlarından video kayıt ve video düzenleme için özel teşekkürler.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
BrainStim, yüksek çözünürlüklü transkraniyal stimülatörE.M.S., Bologna, İtalyaEMS-BRAINSTIM
İletken silikon elektrotların bağlantısı için bir çift 1,5m kabloE.M.S., Bologna, İtalyaEMS-CVBS15
Yeniden kullanılabilir iletken silikon elektrotlar 50x50mmE.M.S., Bologna, İtalyaFIA-PG970/2
Elektrot 50x100mmiçin yeniden kullanılabilir süngerE.M.S., Bologna, İtalyaFIA-PG916S
Lastik kayışlar & ndash; 75 cmE.M.S., Bologna, İtalyaFIA-ER-PG905/8
Travmatik olmayan plastik düğmeE.M.S., Bologna, İtalyaFIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Bologna, İtalya
MagPro X100 MagOption - transkraniyal manyetik stimülatörMagVenture, Farum, Danimarka9016E0731
8 şekilli bobin MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Danimarka9016E0462
Boyunluklu sandalyeMagVenture, Farum, Danimarka9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigasyon platformu, Premium sürümLocalite, GmbH, Almanya21223
Localite TMS Navigator - MR tabanlı yazılım, morfolojik MRI için veri içe aktarma (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Almanya10226
MagVenture 24.8 bobin izci, Geom 1Localite, GmbH, Almanya5221
Yüzey EMG için elektrottelleri  EBNeuro, İtalya 6515
EEG/EMG için Yüzey Elektrotları  EBNeuro, İtalya 6515
BrainAmp ExG amplifikatör - bipolar amplifikatör ve nbsp;Beyin Ürünleri, GmbH, Almanya
  BrainVision Kaydedici 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Almanya
Nuprep Cilt Hazırlama Jeli Weaver and Company, ABD
Şırıngalar
Yapışkan bant
NaCl çözeltisi

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
  2. 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).
  3. Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
  4. Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
  5. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  6. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
  7. Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527(2016).
  8. Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
  9. Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311(2015).
  10. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  11. Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
  12. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  13. Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
  14. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
  15. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  16. Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090(2015).
  17. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  18. Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
  19. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
  20. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  21. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54(2015).
  22. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  23. Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
  24. Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
  25. Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39(2012).
  26. Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
  28. Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
  29. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Motor Evoked PotentialsCortical ExcitabilityFrequency Specific EffectsTACS TMS ProtocolElectroencephalography ArtifactsSinusoidal Waveform Stimulation

İlgili makaleler