Teknik og overvejelser i brugen af ​​4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-TDCs)

1Laboratory of Neuromodulation, Department of Physical Medicine & Rehabilitation, Spaulding Rehabilitation Hospital and Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2School of Medicine, Pontifical Catholic University of Ecuador, 3Charité University Medicine Berlin, 4The City College of The City University of New York, 5Headache & Orofacial Pain Effort (H.O.P.E.), Biologic & Materials Sciences, School of Dentistry, University of Michigan
* These authors contributed equally
Medicine
 

Summary

High-definition transcranial jævnstrøm stimulation (HD-TDCs), med sin 4x1-ring montage, er en non-invasiv brain stimulation teknik, der kombinerer både neuromodulatory virkningerne af konventionelle TDCs med øget focality. Denne artikel giver en systematisk demonstration af anvendelsen af ​​4x1 HD-TDCs og de overvejelser, der er nødvendige for en sikker og effektiv stimulation.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., DaSilva, A. F., Fregni, F. Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). J. Vis. Exp. (77), e50309, doi:10.3791/50309 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

High-definition transkraniel jævnstrøm stimulation (HD-TDCs) er for nylig blevet udviklet som en noninvasiv hjernestimulation tilgang, øger nøjagtigheden af ​​den nuværende levering til hjernen ved hjælp af arrays af mindre "high-definition" elektroder, i stedet for den større pude- elektroder af konventionelle TDCs. Målretning opnås ved at aktivere elektroder placeret i forudbestemte konfigurationer. En af disse er 4x1-ringkonfiguration. I denne fremgangsmåde, er en central ring elektrode (anode eller katode) overliggende målet kortikale region omgivet af fire returelektroder, der hjælper afgrænse området stimulation. Levering af 4x1-ring HD-TDCs er i stand til at fremkalde betydelige neurofysiologiske og kliniske effekter i både raske personer og patienter. Desuden er dens tolerabilitet understøttet af undersøgelser med intensiteter så højt som 2,0 milliampere i op til tyve minutter.

Selvom 4x1 HD-TDCs er enkel at performancem, korrekt elektrode positionering er vigtig for nøjagtigt stimulere target kortikale regioner, og udøve sin neuromodulatory effekter. Brugen af ​​elektroder og hardware, der specifikt har været testet for HD-TDCs er afgørende for sikkerhed og tolerabilitet. I betragtning af at de fleste publicerede undersøgelser om 4x1 HD-TDCs har målrettet den primære motor cortex (M1), især for smerte-relaterede resultater, er formålet med denne artikel er at systematisk at beskrive dens anvendelse til M1 stimulation, samt de overvejelser, der skal træffes for sikker og effektiv stimulation. Dog kan de metoder, der er skitseret her, tilpasses for andre HD-TDCs konfigurationer og kortikale mål.

Introduction

Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) er en non-invasiv brain stimulation teknik stand til at modificere neuronal hvilende membranpotentiale og niveauet af spontan neuronfyring på området stimulering samt i sammenkoblede neurale net 1 herunder det endogene μ-opioid-system 2, hvorved modulerende kortikal ophidselse. De neuromodulatory effekter af TDCs, kombineret med de lave omkostninger, enkel anvendelse og portabilitet, har ført til dets omfattende brug i det seneste årti i en bred vifte af indstillinger. Disse har omfattet neurofysiologiske undersøgelser, kognitive og adfærdsmæssige interventioner og patient undersøgelser, der vurderer lidelser, såsom kroniske smerter, depression, migræne, slagtilfælde, Parkinsons sygdom og tinnitus 3.. Men levering af jævnstrøm (DC) udføres ved hjælp af store puder, hyppigst mellem 25-35 cm 2, som stimulerer relativt brede områder af hjernebarken placeret between anode og katode 4.. Derfor fokal stimulation af mål kortikale regioner ikke indebærer stimulering af tilstødende anatomiske områder er vanskelig at opnå med denne teknik. Adskillige metoder er blevet undersøgt for at "forme" strøm ved at variere mellem elektrode afstand 5 og stigende / faldende pad størrelse at sænke / øge graduering i kortikale regioner under elektroden 6.. Ikke desto mindre indsats for at fremme mål strøm samtidig undgå shunting af strøm mellem elektroderne 7,8 være af interesse.

High-Definition (HD)-TDCs er en nyudviklet indgreb, der bruger arrays af mindre, specielt konstrueret elektroder 9. Forskellige konfigurationer er blevet testet, som kan ændres for at forbedre stimulering af mål 10. Blandt dem er 4x1-ringen konfiguration, en montage, der bruger en central elektrode overlejrer målet kortikale omgivet regionaf fire returelektroderne 4.. Elektroden i midten definerer polariteten af ​​stimulation, som enten anodisk eller katodisk og radier returelektroder begrænse området undergår ophidselse graduering. Brain modellering undersøgelser viser, at det område, cortex undergår modulation ved hjælp af 4x1 HD-TDCs konfiguration er mere begrænset i forhold til den standard bipolar montage af konventionelle TDCs 4.. Desuden dens focality er robust over for væv (modellering) parameter 11.. Kliniske neurofysiologiske undersøgelser med 4x1-ring transcranial elektrisk stimulation bekræfter omdrejningspunkt nuværende levering 12..

De potentielle anvendelser af denne intervention svarer til de konventionelle TDCs. Adfærdsmæssige og neurofysiologiske undersøgelser med 4x1-ring HD-TDCs over primære motor cortex (M1) rapport ændringer i kortikal ophidselse 13 og eftervirkninger, der kan vare længere end dem med induceret af konventionelle TDCs 14. Aktuelle undersøgelser med 4x1-ring HD-TDCs støtte dens tolerabilitet hos såvel raske forsøgspersoner 13-15 og patienter 16, når intensiteter så højt som 2,0 milliampere (mA) leveres i op til tyve minutter. Selvom HD-TDCs tåles, er det vigtigt kun at bruge enheder og elektroder, som er blevet testet specifikt til dette formål.

Formålet med denne artikel er at give en systematisk demonstration af anvendelsen af ​​4x1-ringelektroder til HD-TDCs. Stimulering af M1 blev valgt, da det er den mest almindelige montagen anvendes i forskellige kliniske forskning indstillinger. Dog kan de skitserede metoder tilpasses til målretning af andre områder af hjernen, såsom dorsolaterale præfrontale cortex (DLPFC). Som det vil blive vist her, korrekt elektrode positionering er enkel at udføre, men vigtigt for nøjagtigt stimulere target kortikale regioner. Vi håber, at denne demonstration vil bidrage til at støtte og øge den stramning af fremtidens HD-TDCsforsøg, som vil give yderligere dokumentation for de mekanismer og anvendelser af denne roman indgreb.

Protocol

1.. Kontraindikationer og særlige overvejelser

  1. Forud for enhedsopsætning, bekræfter, at deltageren ikke har nogen kontraindikationer for HD-TDCs. Det synes rimeligt at antage, at disse kontraindikationer er de samme som for konventionelle TDCs (tabel 1). Andre særlige hensyn, såsom patientens medicin, bør også tages i betragtning. For eksempel kan Centralnervesystemet-virkende lægemidler ændre de ønskede effekter af stimulation.
  2. Undersøg deltagerens hovedbunden grundigt for hudlæsioner, såsom nedskæringer eller inflammatoriske tegn. Undgå stimulerende områder af hovedbunden, der viser sådanne læsioner. Derudover bør stimulation bør undgås hos patienter med kraniet defekter eller metalliske implantater. Hvis formålet med undersøgelsen er at specifikt studere denne patientpopulation bør yderligere forholdsregler og specielle dosis vederlag tages i betragtning (f.eks med beregningsmæssige forward modeller) 17

2.. Materialer

  1. Sørg for, at alle de nødvendige materialer er let tilgængelige (Tabel 2).
  2. Integrer plast HD tarme i det modulære elektroencefalogram (EEG) indspilning hætte. Centret elektroden skal svare til målområdet i denne demonstration M1, og radius af de fire returelektroderne bør justeres på grundlag af protokollen, der bliver undersøgt. I denne demonstration, bruger vi en radius på cirka 7,5 cm, med centrum elektroden placeret over M1 og returelektroderne 'placering omtrent svarende til Cz, F3, T7 og P3 i det internationale 10-20 EEG-system 18.
  3. Før hver stimulation session, tænde den konventionelle TDCs enhed (Soterix 1x1 lav intensitet DC Stimulator) og Multichannel Stimulation Adapter og kontrollere, at batterierne er opladet. A "lavt batteri"-indikator på hver enhed lyser, hvis det ikke er tilfældet, hvilket indikerer at batteries skal udskiftes. Efter kontrol batteriopladning, kan enhederne blive slukket, indtil umiddelbart før stimulation. Den konventionelle TDCs enheden er en batteridrevet enhed, der leverer DC med en intensitet på nogle få mA. En strømreguleret og ikke en spændingsstyret stimulator foretrækkes på grund af skiftende elektrode impedans. Brugen af ​​strømforsyninger altid afskrækket af sikkerhedsmæssige årsager, for at undgå utilsigtet levering af større intensitet. Driften af denne enhed blev beskrevet i vores tidligere artikel 19. Ved at forbinde den konventionelle TDCs enheden til Multichannel Stimulation adapter (figur 1), er DC leveret langs 4x1 HD-TDCs konfiguration giver mulighed for neuromodulation begrænset til det ønskede område.
  4. Forud for hver session, visuelt inspicere elektroderne før brug for tegn på usædvanlig slitage eller beskadigelse. De HD-TDCs elektroder er genanvendelige, men har et begrænset antal af det samlede antal (se Discussion). Elektrodeenhederne bruges til HD-TDCs skulle have været specielt designet eller testet til dette formål. Den fremgangsmåde påvist i denne artikel bruger Ag / AgCl sintrede ringelektroder (figur 2). Anvendelsen af disse elektroder, i kombination med passende elektrisk ledende gel og HD plasthylstre, har vist sig at minimere ændringer i stimulering elektrode potentiale og pH-ændringer i gelen, mens der producerer nogen signifikant opvarmning 9,20, derfor resulterer i en sikrere og mere effektiv fremgangsmåde i forhold til andre typer af elektroder.
  5. Tilslut kablerne fra fem Ag / AgCl sintrede ringelektroder til de tilsvarende modtagere på 4x1 adapter output kabel. Elektroden i midten vil være den definerer polariteten af ​​stimulation, som enten anodisk eller katodisk. Sørg for at tilslutte elektroden i midten fører til centrum receiver stik. Slut derefter de resterende elektroder ind i de omkringliggende stik. Det skal bemærkes, atarrangement af fire returelektroder i modtageren stik er ikke kritisk, da de alle vil være den samme polaritet.

3.. Målinger

Hoved måling og lokalisering af området med stimulation er identiske med dem, for konventionelle TDCs, som forklaret i vores tidligere artikel 19. Trinene vil blive beskrevet igen i detaljer for yderligere afklaring.

  1. Har deltageren sidde komfortabelt i en stol, som kan have en nakkestøtte.
  2. Stimulering hjemmeside er bestemt af protokollen af ​​interesse for forskerne, da stimulering af forskellige områder resulterer i forskellige effekter. Mest almindeligt er det internationale 10-20 EEG-system 18 anvendes til hovedet målinger, som beskrevet nedenfor.
  3. Først lokalisere toppunktet (Cz).
    1. For at gøre dette, skal du måle afstanden fra nasion til Inion og dividere afstanden med halve. Det nasion er stedet i krydset the pande og nasal knogler, og Inion er den mest fremtrædende punkt nakkebenet (figur 3). Markere stedet som en linje, ved hjælp af en olie blyant eller et ikke-toksisk vandbaseret markør.
    2. For det andet måle afstanden mellem venstre og højre pre-auricular punkter (dvs. det område forreste til tragus). Divider denne afstand til det halve, og markere stedet med en linje. Nu tilslutte begge linjer for at skabe et kors. Det punkt, hvor begge linjer skærer svarer til Cz.
  4. Afhængig af den protokol, der undersøges, er målet stedet identificerer på hovedet.
    1. For at stimulere over primære motor cortex (M1), beregne 20% af afstanden fra Cz til venstre eller højre pre-auricular punkt, begynder måling ved Cz (figur 3). For en mere præcis bestemmelse af dette område, kan anvendelsen af ​​adjungerede metoder såsom neuronavigation systemer eller transkraniel magnetisk stimulation (TMS) være egnet.

    4.. Hud Forberedelse

    1. Forbered huden på stimulering stedet ved at adskille håret. En spritserviet kan anvendes til at hjælpe med at fjerne sebum eller hårprodukter fra hovedbunden. Må ikke slide på huden. Sørg for, at der ikke hudlæsioner er til stede.

    5.. Elektrode Positionering og Device Setup

    1. Efter måling hoved dimensioner og forberede huden, finde mærket svarer til M1.
    2. Dernæst holder M1 mark i syne, skal du placere den modulære EEG optagelse cap om emnet hoved, mens du holder i midten plastichus over mærket. For at holde M1 cross-mærket på hovedbunden i sigte, kan man flytte håret rundt før du placerer HD kabinettet over det. Sørg for, at hætten sidder tæt, men behageligt og justere placeringen af ​​de fire retur plasthylstre. Selv om andre metoder er helt sikkert muligt, i en tidligere retssag 16 vi positioneret de returelektroderne i en radius af approximately 7,5 cm fra M1. Deres placeringer svarede nogenlunde til Cz, F3, T7 og P3 (figur 4). Derefter justere stropper EEG hætte.
    3. Ved hjælp af et målebånd, at den inter-elektrode afstanden er tilstrækkelig baseret på forsøgsprotokollen bekræfte.
    4. Ved hjælp af spidsen af ​​en træ vatpind, håret adskille gennem åbningen i plastikspolen indtil hovedbunden er udsat. Gentag under hver tarm.
    5. Indføre cirka 1,5 ml elektrisk ledende gel gennem åbningen af ​​hvert plastichus, der begynder ved hovedbunden overflade. Anvendelse af gelen kan opnås ved hjælp af en plastsprøjte. Omhyggeligt undgå spredning gel over omkredsen af plastikspolen, da dette kan føre til rangering af elektrisk strøm og utilstrækkelig strøm (figur 5).
    6. Dernæst med sin ru overflade vender nedad, og den glatte afrundede opad. Position ene Ag / AgCl sintret ring elektrode i hver HD plastkabinet Brug afsprøjte eller stemplet som en guide, hvis nødvendigt, sænke ringelektroden indtil den hviler på bunden af ​​plastikspolen.
    7. Tilføje nogle flere gel til at dække elektroden, og derefter bruge hætter, der følger med HD plasthylstre at låse elektroderne på plads (figur 6). Denne hætte vil holde elektroden på plads i hele stimulation. Drej hætten for at låse det på plads. Hvis plastikhætte ikke tænder let ikke bruge overdreven kraft. Re-justere elektroden som beskrevet i 5.6, og derefter forsøge at låse hætten på plads. Hætten af ​​HD plastichus er designet til at vende nemt hvis Ag / AgCl sintret ringelektroden indsættes fuldstændigt og i sin rette placering.
    8. For at reducere spændingerne på elektrodekabler, loop dem rundt hver plast og tape dem til stol eller til fagets tøj (figur 7).
    9. Slut den afrundede ende af output kablet til 4x1 Adapter output port.
    10. Bruge input kablet to forbinde 4x1 Multichannel Stimulation Adapter til den konventionelle TDCs enhed. Slut kegle-stik enden af ​​input kablet til 4x1 Adapter input port og tilslut den anden ende af indgangskablets (to banan-typen stik) til output port for den konventionelle TDCs enhed. Vigtigere er det, det kabel, der er mærket som "Center" er en, der vil definere DC polaritet leveret fra elektroden i midten som enten anodisk eller katodisk. Bemærk, at ved brug af 4x1 Multichannel Stimulation Adapter i kombination med konventionelle TDCs enheden er der ingen kontakt eller knap til valg af centrum-anode eller centrum-katode. Denne polaritet bestemmes gennem processen med at forbinde tilslutningskablet banan-typen stik til de konventionelle TDCs enhedens udgange, som beskrevet ovenfor. I TDCs og HD-TDCs, "anode" refererer til den relativt positive terminal, hvor positive strøm i kroppen. På den anden side, er "katode" den relative negative terminal, hvor positiv strøm thøne forlader kroppen.
    11. Når tilslutningerne er klar, skal du tænde på begge enheder.
    12. Sørg for, at impedansværdier er inden for en passende ved at dreje på "Mode select" knappen i 4x1 Multichannel Stimulation Adapter til "Scan". Enheden vil derefter scanne elektroderne, viser impedans af en elektrode på et tidspunkt i displayvinduet. Den "Lead toggle" knappen kan bruges til at slå denne automatiske skift af elektroderne på displayet. Knappen kan presses til låse skærmen på den valgte elektrode, og undersøge impedans. Derefter kan det presses igen at tillade enheden at ændre den viste elektrode. Den 4x1 Multichannel Stimulation Adapter enhed vil måle impedans i "kvalitet enheder". Kontakten kvalitet normaliseres til disse "kvalitet enheder" af test kredsløb baseret på den kendsgerning, at elektroden modstand er non-lineær til elektroden-interfacet elektrokemiske processer 21, og at elektroden resistens (impedans) kanderfor være misvisende. For eksempel er modstanden tilsyneladende målt helt afhængig testen nuværende 22.. Lavere "kvalitet enheder" værdier er ønskelige. Selvom der ikke strenge retningslinjer findes til dato, værdier mindre end eller lig med 1,50 til 2,0 "kvalitet enheder" er blevet brugt som en cutoff i tidligere undersøgelser 15,16.

    Må ikke aktiveres den konventionelle TDCs enheden, mens 4x1 Multichannel Stimulation Adapter er i "Scan" (impedans check) tilstand, da stimulation ikke vil blive leveret til emnet.

    1. Hvis impedansværdier er ud over disse ønskede grænser, skal du åbne dækslet til plastichus indeholder elektroden viser høj impedans og fjern Ag / AgCl sintret ring elektrode. Følg fremgangsmåderne som beskrevet ovenfor (dvs. 5,4-5,7) for at justere hår og elektroden for at opnå optimal impedans. Kontroller impedans igen, som bemærket i 5.12. Når målet kvalitet værdi er opnået, erstatce hætten på kabinettet. Gentag den samme procedure for andre elektroder efter behov. Optimal kvalitet indikation kan variere fra individ til individ, men en kvalitetsindikator højere i ét elektrode end i de andre kan indikere dårlig kontakt i denne elektrode.
    2. Når impedans kvalitet til alle elektroder er bekræftet at være inden for det ønskede område, drej "Mode skal du vælge" knappen i 4x1 Multichannel Stimulation Adapter fra "Scan" til "Pass". Denne indstilling gør det muligt for nuværende at passere fra den konventionelle TDCs enhed gennem elektroderne i 4x1 enhed. Operatøren er nu klar til at begynde stimulering.

    6.. Stimulation

    1. Sørg for, at deltageren sidder komfortabelt i stolen og forbliver vågen under stimulation.
    2. HD-TDCs anvendes nu ved hjælp af kontrol af den konventionelle TDCs enheden som vist i vores tidligere artikel 19. Bekræft varigheden og intensiteten af ​​stimulation bliver leveret, og justerenheden efter behov. Desuden bestemme tilstanden af ​​sessionen (fingeret eller aktiv stimulation). Hvis fingeret tilstanden er valgt, vil enheden automatisk leverer strøm i en periode på tredive sekunder. Denne tilgang er blevet rapporteret til at være en succes for blinding af deltagerne i både konventionelle TDCs 23 og HD-TDCs 15 forsøg.
    3. Indled HD-TDCs session ved at trykke på "Start" knappen for den konventionelle TDCs enhed. "Start" blinker som DC intensitet er optrappet, og derefter lyser konstant, når target strøm er nået. Timeren vil så vise den resterende tid og den "sande Current" indikatoren vil vise den aktuelle intensitet leveret til elektroden i midten og de fire afkast kombineret elektroder.
    4. Det kan være tilfældet, at forsøgspersoner indicerer ubehag, kløe eller prikken i den indledende stimulation perioden 24.. Skulle disse symptomer være for ubehageligt, anbefales det, at den nuværende intensitet være maårligt ramped efter 0,2-0,5 mA i et par sekunder ved hjælp af "Relax" funktionen, før motivet føles behagelig. Umiddelbart efter, bør strømstyrken øges gradvist tilbage til den oprindelige dosis. Ovennævnte fornemmelser typisk en tendens til at forsvinde efter et par minutter af stimulation.

    7.. Efter indgrebet

    1. Efter sessionen er fuldført, kan modstande på tværs af alle kanaler måles igen, hvis det ønskes. Åbn plastkapsler og forsigtigt fjerne Ag / AgCl sintrede ringelektroder fra tarme. Hvis det er nødvendigt, skal du bruge den stumpe ende af en vatpind for at undgå rykke på elektrodetrådene. Elektroderne vaskes forsigtigt med postevand for at fjerne gel og derefter tørres inden opbevaring.
    2. Dernæst fjerner EEG cap med de indlejrede plasthylstre. Fjern ikke EEG cap med plast lukkede caps, da deltagerens hår kan blive fanget i hætterne og / eller tarme. De plasthylstre bør derefter vaskes tilfjerne gel og tørret med køkkenrulle.
    3. Ved hjælp af en papirserviet, fjerne det resterende gel fra emnet hoved. Da gelen er vandopløselige, kan nogle vand kan anvendes til at hjælpe med at fjerne det.
    4. Det anbefales at bede deltageren om at udfylde et spørgeskema efter hver stimulation session for at overvåge for eventuelle bivirkninger (tabel 3).

Representative Results

Hvis elektroderne er anbragt korrekt og impedans værdier er inden for en passende rækkevidde, vil DC strømme fra anoden til de multiple katoder (til anode center 4x1 HD-TDCs) for varigheden af ​​stimulering. Målet strømstyrken vil blive leveret af den konventionelle TDCs enheden og vises i "Sand nuværende" indikator. Tilsvarende, hvis fingeret tilstanden er valgt, vil enheden automatisk stoppe levere DC cirka tredive sekunder efter sin indvielse, og indikatoren vil vise ophør af DC levering (Figur 8).

Det er fælles for deltagerne at rapportere kløe, prikken eller en let brændende fornemmelse ved initiering af stimulation. Disse fænomener er ofte observeret under både humbug og aktiv HD-TDCs 15,16 og burde indikere, at DC bliver leveret efter hensigten. Men de typisk en tendens til at forsvinde efter de første par minutter af stimulation.

indhold "> Det er typisk antages, at områder i hjernen med mere strøm, er mere tilbøjelige til at blive moduleret, mens regionerne vil ringe eller ubetydelig strøm, vil ikke blive direkte berørt. Som sådan ville det omdrejningspunkt strøm produceret af 4x1-HD-TDCs være forventes at producere lokaliseret neuromodulation. beregningsmodeller 4,14,15 har vist, at 4x1-ring HD-TDCs resulterer i mere samlingspunkt brain stimulation sammenlignet med konventionelle TDCs (figur 9). Som rapporteret af Datta et al. 4,11, den område af kortikal ophidselse graduering induceret af 4x1-ring HD-TDCs var begrænset i ringen omkreds, og toppen af ​​elektrisk felt var under elektroden i midten. Derimod forårsagede konventionelle TDCs stimulering af forskellige andre regioner, såsom den ipsilaterale tidsmæssige og bilaterale frontalskadede og det elektriske felt toppede midt mellem de to elektroder i stedet for nedenunder en af ​​dem.

HD-TDCs er en roman technique og dermed dens virkninger er ikke undersøgt så omfattende som de konventionelle TDCs. Men dens potentielle anvendelser er ens, med andre stadig at blive udforsket. Aktuelle undersøgelser med 4x1-ring HD-TDCs viser, at hos raske frivillige er det væsentligt kan nedsætte varme og kulde sensoriske tærskler, og føre til en marginal smertestillende effekt til kolde smertetærsklen (Figur 10) 15. Desuden kan det medføre betydelige ændringer i kortikal ophidselse, som målt ved hjælp af motor evoked potentials 13,14 (Figur 11). I fibromyalgi patienter, inducerede aktiv 4x1-ring HD-TDCs en signifikant reduktion i opfattet smerte (figur 12) og signifikant forøget mekanisk detekteringsgrænse sammenlignet med sham 16.

Studier, der sammenligner HD-TDCs og konventionelle TDCs vil være vigtigt for at belyse effekten af ​​hver intervention. Men en enkelt ti-minutters sessio n af anodisk HD-TDCs på 2,0 mA er allerede blevet rapporteret af Kuo et al. 14. at udøve mere fremtrædende, længerevarende excitatory eftervirkninger og mere tåleligt stimulering end konventionelle TDCs (figur 13), der støtter dens anvendelse i forskning og potentielt i kliniske omgivelser.

Figur 1
Figur 1.. 4x1 Multichannel Stimulation Adapter (venstre) forbundet til konventionelle TDCs enhed (højre).

Figur 2
Figur 2.. Ag / AgCl sintrede ringelektroder, med glatte afrundede (sort) og ru overflader. Elektroderne er forbundet til de tilsvarende modtagere på 4x1 adapter output kabel.

tp_upload/50309/50309fig3.jpg "/>
Figur 3.. Anatomiske landemærker (til venstre) og den primære motor cortex (M1) lokalisering baseret på Den Internationale 10-20 EEG System (til højre).

Figur 4
Figur 4.. Foreslået positionering for HD elektroder er baseret på 10-20 EEG System. Andre montager kan også testes.

Figur 5
Figur 5.. Elektrisk gel ansøgning (til venstre). For at forhindre strøm fra rangering mellem elektroder, bør der udvises forsigtighed for at undgå spredning af elektrisk gel ud over grænserne for den plasthus (højre).

Figur 6
Figur 6. Placement ring elektrode i plastkabinet. Den ru overflade på elektroden skal vende nedad, og den glatte afrundede overflade opad. Ringelektroden skal derefter sænkes, indtil den hviler på bunden af ​​plastikspolen (venstre) og hætten låst stilling (højre).

Figur 7
Figur 7.. Sample 4x1 HD-TDCs setup.

Figur 8
Figur 8.. Levering af aktiv (venstre) og simuleret (højre)-tilstand ved konventionel TDCs enhed. Fra DaSilva et al. 19..

Figur 9
Figur 9. Computational model sammenligning mellem primær motor cortex 4x1-ring HD-TDCs (ovenfor), og konventionelle TDCs hjælp af en standard bipolar svamp montage (nedenfor). Klik her for at se større figur .

Figur 10
Fig. 10. Varme og kulde sensoriske tærskler og kolde smertetærsklen målt hos raske forsøgspersoner før (præ) og efter (post) 4x1-ring HD-TDCs. Protokollen bestod på levering af 2mA aktiv anodisk HD-TDCs eller fingeret stimulation til den primære motor cortex i 20 min. Modificeret fra Borckardt et al. 15.. Klik her for at se større figur .

p_upload/50309/50309fig11.jpg "/>
Figur 11.. Virkninger af 4x1-ring HD-TDCs på motorisk evoked potentialer (MEP) amplitude hos raske forsøgspersoner. Protokollen bestod på levering af 1mA aktiv anodisk HD-TDCs eller fingeret stimulation til den primære motor cortex i 20 min. MEP blev målt før og efter stimulering, og amplituden af ​​sidstnævnte normaliseret til at af baseline. Whiskers repræsenterer standardafvigelser. Modificeret fra Caparelli-Daquer, et al. 13..

Figur 12
Figur 12.. Effekter af 4x1-ring HD-TDCs på opfattet smerte i fibromyalgi patienter. Patienterne blev bedt om at vurdere deres samlede smerte ved hjælp af en visuel numerisk skala før, øjeblikkeligt og 30 min efter stimulation. Protokollen bestod af enkelte sessioner af aktiv anodisk og katodisk HD-TDCs, leveret til venstre primære motoriske hjernebark (2mA i 20 min), og sham stimulation. Whiskers repræsenterer standardafvigelsen. Modificeret fra Villamar et al. 16..

Figur 13
Figur 13.. Sammenligning af aftereffects induceret af anodisk og katodisk stimulering under anvendelse af konventionelle TDCs og 4x1-ring HD-TDCs. Motor evoked potentiale (MEP) amplituden blev målt før og efter levering af 2mA af konventionelle TDCs eller 4x1 HD-TDCs i 10 min. Sekventielle vurderinger blev udført for at evaluere tidsforløbet af eftervirkninger. MEP amplitude post-stimulation blev normaliseret til den, baseline. Modificeret fra Kuo et al. 14..

Har du nogensinde ... Havde en negativ reaktion på TMS / TDCs?
Havde en seizure?
Havde en uforklarlig tab af bevidsthed?
Haft et slagtilfælde?
Havde en alvorlig skade i hovedet?
Havde kirurgi med dit hoved?
Havde nogen hjerne relaterede, neurologiske sygdomme?
Havde nogen sygdom, der kan have forårsaget hjerneskade?
Lider du af hyppige eller alvorlige hovedpine?
Har du noget metal i dit hoved (udenfor munden), såsom granatsplinter, kirurgiske klemmer, eller fragmenter fra svejsning?
Har du nogen implanteret medicinsk udstyr såsom pacemakere eller medicinske pumper?
Tager du nogen medicin?
Er du gravid, eller er du seksuelt aktive og ikke sikker på, om du kan være gravid?
Er der nogen i din familie har epilepsi?
Har du brug for yderligereforklaringer på TDCs / HD-TDCs eller dets forbundne risici?

Tabel 1. Screening for kontraindikationer og særlige overvejelser, før TDCs / HD-TDCs.

Materialer Et konventionelt TDCs enhed
Et 4x1 Multichannel Stimulation Adapter
Fire 9-volt batterier
Et modulopbygget elektroencefalogram optagelse cap
Fem Ag / AgCI sintrede ringelektroder
Fem specialdesignede HD plast, og deres respektive hætter
Én plastikstempel
Kabler
Et målebånd
Et træ vatpind
Elektrisk ledende gel
Et 3 - eller 5-ml sprøjte
Klæbende tape
Papirhåndklæder

Tabel 2. Materialer.

Vidste du oplever nogen af ​​følgende symptomer eller bivirkninger? Indtast en værdi (1-4) på ​​pladsen under.
1-Fraværende
2-Mild
3-Moderat
4-Severe
Hvis til stede, tror du det er relateret til HD-TDCs?
1-None
2-fjernbetjening
3-Muligt
4-Sandsynlig
5-Definite
Bemærkninger
Hovedpine
Nakkesmerter
Scalp smerter
Scalp forbrændinger
Prikken
Hud rødme
Søvnighed
Problemer med at koncentrere
Akut humørsvingninger
Andet (specificer):

Tabel 3. Negativ effekt screening efter HD-TDCs.

Discussion

Kritiske trin

Aspekter, der skal kontrolleres før du starter proceduren

Før du starter stimulering, forskere sørge for, at deltageren ikke har nogen kontraindikationer for HD-TDCs. Tabel 1 viser nogle vigtige overvejelser, der skal tages i betragtning og opsummerer de vigtigste kontraindikationer, herunder tilstedeværelse af metalliske implantater eller enheder i hovedet, svær hjerneskader eller væsentlige hudlæsioner. Forskeren skal inspicere for tilstedeværelse af de sidstnævnte i 4x1-ringen perimeter, mens forberedelserne til elektrodeplacering. Vi anbefaler ikke anvendelsen af ​​teknik, hvis sådanne læsioner findes. Dette er vigtigt, da, selvom hudlæsioner er ikke blevet rapporteret ved brug af HD-elektroder og casinger vist i denne artikel, er hudskader blevet rapporteret efter levering af flere på hinanden følgende sessioner af konventionelle TDCs 3, især hvis den udføres overa periode på 14 dage 25.

Tilstedeværelsen af metalliske implantater eller mangler i kraniet eller hjerneparenkymet kan væsentligt ændre strøm 17,26 og resultere i stimulering af kortikale andre regioner end beregnet dem. Af sikkerhedsmæssige årsager bør stimulation bør undgås hos patienter med implanteret medicinsk udstyr. Relative kontraindikationer omfatter tilstedeværelsen af ​​epilepsi eller et slagtilfælde, medmindre studie specifikt er fokuseret på at studere disse betingelser. HD-TDCs bør undgås hos gravide kvinder på grund af manglende data om sikkerhed.

Det er af yderste vigtighed at kontrollere polariteten af ​​kablerne, når du tilslutter 4x1 Multichannel Stimulation Adapter til den konventionelle TDCs enhed. Undladelse af dette kan resultere i at levere den forkerte type stimulation til deltageren. Sørg for, at kablet er mærket som "Center", som ofte kan være rød, er sat til den korrekte terminal (anode eller katode).

Operatøren skal også visuelt inspicere Ag / AgCl sintrede ringelektroder for tegn på aflejring af elektrolyse produkter, før hver brug, og udskift dem, hvis indiceret. Efter hver aktiv stimulering session tendens produkter af elektrokemiske reaktioner at bygge op på den ru overflade på bunden af ​​elektroderne. Af denne grund anbefales det, at hver elektrode skal placeres i midten af ​​4x1 konfiguration til to aktive stimulation sessioner alene. Efterfølgende kan det drejes og anvendes som en af ​​returelektroder. Når hver af de fem elektroder i et sæt har fungeret som elektroden i midten to gange, anbefales det at bruge et nyt sæt elektroder. Det er ligetil at mærke hver elektrode og registrere antallet af anvendelser for at rotere dem på en koordineret måde. Ud over tolerabilitet er (begrænset) rotation af elektroderne også til formål at undgå en høj-impedans tilfælde hvor strøm vil ikke blive opdelt ligeligt across de fire returelektroder. Operatøren er ansvarlig for at kontrollere kontakt kvalitet forud for stimulation (som forklaret i trin 5,12-5,14), og sikre, at der ikke unormalt høje modstandsværdier overholdes.

Det kan forekomme, at deltagerne flytter deres hoveder overdrevent eller uforvarende trække kablerne og fjerne eller bryde dem. Af denne grund er det tilrådeligt at sløjfe hvert kabel omkring sin plast og til bånd 4x1 adapter output kabel til en overflade (dvs. stol eller deltagerens tøj).

Hvis det ønskes, kan det være muligt at tilføje lokalanæstetiske midler til hovedbunden for at hindre potentielt ubehagelige fornemmelser og forbedre blinding af deltagerne i undersøgelsen. Dog skal det holdes for øje, at selv om forbrændinger ikke er blevet rapporteret med HD-TDCs, kunne der være en lille teoretisk risiko for denne bivirkning og brugen af ​​aktuelle bedøvelsesmidler kan forhindre deltagerne i at rAPPORTERING det under stimulation. I denne demonstration, samt i vores tidligere undersøgelser har vi ikke brugt topiske anæstetika som ethvert ubehag generelt rapporteret som mild.

Som nævnt ovenfor, for at få optimale resultater er det meget vigtigt at forhindre elektriske gel spredes ud over grænserne for plastikspolen. Ellers kan strømmen shunt fra den ene elektrode til den anden.

Vigtige overvejelser under stimulering

Medmindre dette kræves som en del af studiet design, bør emnet ikke sove, læse eller på anden måde distraheret under stimulation session. Dette er vigtigt, da det er blevet rapporteret, at intens kognitiv indsats, kedsomhed eller sover, muskel aktivering og andre aktiviteter, der fører til ændringer i kortikale ophidselse kan resultere i ændrede og imod virkningerne af konventionelle TDCs 27.

Ved initiering af stimulation og for at forhindre bivirkninger fra pludselige start strøm, enheden automatisk ramper strøm op og ned i løbet af en periode på tredive sekunder. Af lignende grunde ikke skifte mellem "Pass" og "Scan" tilstande, mens den konventionelle TDCs enheden genererer strøm. Det er altid tilrådeligt at du jævnligt bede emner, om de føler sig trygge med den procedure med henblik på at sikre, at stimuleringen forløber sikkert.

Stimulering i modtagelige populationer, inklusive pædiatriske patienter, kan kræve dosisjustering.

Praktiske aspekter efter indgrebet

For at indsamle yderligere dokumentation for sikkerheden og for at overvåge HD-TDCs effekter, anbefaler vi at bruge en negativ effekt spørgeskema som den er afbildet i tabel 3, der skal leveres til deltagerne efter hver session. Sørg for at screene for tilstedeværelsen af ​​de mest almindelige adveRSE effekter forbundet med HD-TDCs, såsom ubehag, prikken, kløe og brændende fornemmelser. Desuden kan meningsfuldhed disse data forbedres ved også at bede om kvantitative subjektive scores. Dette kan opnås ved at have en numerisk skala for patienterne at rapportere intensitet eller alvoren af ​​de negative virkninger, for eksempel fra 1 til 5 eller fra 1 til 10.. Det er også vigtigt at levere bivirkning spørgeskema efter hver simuleret session. Dette giver mulighed for at sammenligne hyppigheden af ​​bivirkninger forbundet med både aktiv og humbug stimulation. Ved konventionelle TDCs har nogle bivirkninger blevet rapporteret til at være endnu hyppigere i sham-gruppen 24, hovedpine være et eksempel.

Mulige modifikationer

For 4x1 HD-TDCs kan stimulationsregimer være udformet involverer forskellige målgrupper steder, nuværende polaritet og intensitet, og radius af ringen. Som en generel regel vil øge 4x1 ring diameter increase dybden af penetration og maksimal intensitet under ringen 28.. Omvendt reducerer ring radius øger focality men formindskes induceret hjerne elektrisk felt. Derfor er yderligere undersøgelse af optimale dosis per indikation berettiget.

Selv om denne artikel er fokuseret på 4x1-ring HD-TDCs, kan andre elektroder implementeringer også anvendes, såsom 4x2 og 3x3 (dobbelt bånd), blandt andre. Selvom HD-TDCs byder på mange muligheder for tilpasning, metoderne til positionering og forbereder elektroder, som beskrevet her, bør følges sammen med kun at bruge hardware og tilbehør, der specifikt har været afprøvet til dette formål. Dette omfatter særlig opmærksomhed på HD plastkabinet design, gel og elektroder. For eksempel har elektroder andre end Ag / AgCl sintret ring også blevet testet med henblik på at levere DC, såsom Ag pellet, Ag / AgCI-pellet, Ag / AgCl skive og gummi pellet 9.. Men begge Ag og gummi pellet elektroder fremkalded ændringer i pH, og stigninger i temperatur og elektrodepotentialet blev rapporteret for alle elektroder undtagen Ag / AgCl ring og skive. Derfor fremgår det, at Ag / AgCI ringelektroder kan være en effektiv og sikker fremgangsmåde. I fremtiden kan ændringer af den fremgangsmåde, der er beskrevet i dette papir også bruges til at levere indgreb såsom transkraniel vekselstrøm stimulation.

Begrænsninger

På dette tidspunkt, forbliver den rolle 4x1-ring HD-TDCs polaritet på kortikale ophidselse uklar. Selvom neurofysiologiske undersøgelser har rapporteret, at både 1,0 mA og 2,0 mA i anodisk 4x1-ring HD-TDCs ført til øget kortikal ophidselse blandt raske forsøgspersoner 13,14 er en bredere række indicier specifikt henvender HD-TDCs undersøgelser nødvendige, før nogen generalisering kan gøres. Desuden er det bemærkelsesværdigt, at virkningerne af kortikal ophidselse modulation ved hjælp 4x1-ring HD-TDCs kan være tidsafhængig, nå deres ærtk adskillige minutter efter afslutningen af stimulering og ikke umiddelbart efter 14,16. Derfor kan sekventielle vurderinger end forskellige tidspunkter efter indgriben være nødvendig for at opnå nøjagtige resultater.

Disclosures

MF Villamar, MS Volz, AF DaSilva og F Fregni erklærer nogen interessekonflikter relateret til denne artikel. The City University of New York har intellektuelle ejendomsrettigheder på invasiv brain stimulation med M Bikson og A Datta som opfindere. M Bikson og A Datta har egenkapital i Soterix Medical, Inc.

Acknowledgments

Forfatterne takker Kayleen Weaver til redaktionel assistance, Alexandre Venturi for frivilligt for denne video, Dennis Truong for at levere en af ​​de tal, som anvendes i denne artikel, og Wallace H. Coulter Institut til støtte til at gennemføre dette arbejde. MS Volz er finansieret af en ph.d.-stipendium fra Deutsche Schmerzgesellschaft eV [German kapitel i International Association for Study of Pain (IASP)].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
One conventional tDCS device (Soterix 1x1 Low-intensity DC Stimulator) Soterix Medical Inc., New York, NY, USA 1300A
One 4x1 Multichannel Stimulation Adapter Soterix Medical Inc., New York, NY, USA 4X1-C2
Four 9V batteries Many manufacturers available
One modular electr–ncephalogram recording cap EASYCAP GmbH, Germany EASYCAP
Five Ag/AgCl sintered ring electrodes Stens Biofeedback Inc., San Rafael, CA, USA EL-TP-RNG Sintered
Five specially-designed plastic casings and their respective caps Soterix Medical Inc., New York, NY, USA
One plastic plunger Soterix Medical Inc., New York, NY, USA PSYR-5
Cables Soterix Medical Inc., New York, NY, USA CSIN-X2 Input Cable, CSOP-D5 Output Cable
One measuring tape Many manufacturers available
One wooden cotton swab Many manufacturers available
Electrically conductive gel (Sigma Gel) Parker Laboratories, New Jersey, NJ, USA 15-25
One 3- or 5-ml syringe Many manufacturers available
Adhesive tape Many manufacturers available
Paper towels Many manufacturers available

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Villamar, M. F., Santos Portilla, A., Fregni, F., Zafonte, R. Noninvasive brain stimulation to modulate neuroplasticity in traumatic brain injury. Neuromodulation. 15, 326-338 (2012).
  2. Dos Santos, M. F., et al. Immediate effects of tDCS on the μ-opioid system of a chronic pain patient. Front Psychiatry. 3, 1-6 (2012).
  3. Nitsche, M. A., et al. Transcranial direct current stimulation: state of the art. Brain Stimul. 11, 642-651 (2008).
  4. Datta, A., et al. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimul. 2, 201-207 (2009).
  5. Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Electrode-distance dependent after-effects of transcranial direct and random noise stimulation with extracephalic reference electrodes. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 121, 2165-2171 (2010).
  6. Nitsche, M. A., et al. Shaping the effects of transcranial direct current stimulation of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 97, 3109-3117 (2007).
  7. Dasilva, A. F., et al. tDCS-induced analgesia and electrical fields in pain-related neural networks in chronic migraine. Headache. 52, 1283-1295 (2012).
  8. Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. (2012).
  9. Minhas, P., et al. Electrodes for high-definition transcutaneous DC stimulation for applications in drug delivery and electrotherapy, including tDCS. J. Neurosci. Methods. 190, 188-197 (2010).
  10. Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. J. Neural Eng. 8, 046011 (2011).
  11. Datta, A., Truong, D., Minhas, P., Parra, L. C., Bikson, M. Inter-Individual Variation during Transcranial Direct Current Stimulation and Normalization of Dose Using MRI-Derived Computational Models. Front Psychiatry. 3, 91 (2012).
  12. Edwards, D. J., et al. Physiological and modeling evidence for focal transcranial electrical brain stimulation in humans: a basis for high-definition tDCS. Neuroimage. Under review (2013).
  13. A pilot study on effects of 4x1 High-Definition tDCS on motor cortex excitability. Caparelli-Daquer, E. M., et al. 34th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 735-738 (2012).
  14. Kuo, H. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. (2012).
  15. Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. J. Pain. 13, 112-120 (2012).
  16. Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4x1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. J. Pain. 14, 371-383 (2013).
  17. Datta, A., Bikson, M., Fregni, F. Transcranial direct current stimulation in patients with skull defects and skull plates: high-resolution computational FEM study of factors altering cortical current flow. Neuroimage. 52, 1268-1278 (2010).
  18. Reilly, E. L. Ch. 7. Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. Niedermeyer, E., Lopes da Silva, F. H. Lippincott Williams & Wilkins. 139-141 (2004).
  19. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), e2744 (2011).
  20. Bio-heat transfer model of transcranial DC stimulation: comparison of conventional pad versus ring electrode. Conference proceedings. Datta, A., Elwassif, M., Bikson, M. 31st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 670-673 (2009).
  21. Merrill, D. R., Bikson, M., Jefferys, J. G. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J. Neurosci. Methods. 141, 171-198 (2005).
  22. Hahn, C., et al. Methods for extra-low voltage transcranial direct current stimulation: Current and time dependent impedance decreases. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. (2012).
  23. Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): a tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clin. Neurophysiol. 117, 845-850 (2006).
  24. Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int. J. Neuropsychopharmacol. 14, 1133-1145 (2011).
  25. Palm, U., Keeser, D., Schiller, C., Fintescu, Z., Nitsche, M., Reisinger,, Padberg, E. Skin lesions after treatment with transcranial direct current stimulation (tDCS). Brain Stimul. 1, 386-387 (2008).
  26. Datta, A., Baker, J. M., Bikson, M., Fridriksson, J. Individualized model predicts brain current flow during transcranial direct-current stimulation treatment in responsive stroke patient. Brain Stimul. 4, 169-174 (2011).
  27. Antal A, T. D., Poreisz, C., Paulus, W. Towards unravelling task-related modulations of neuroplastic changes induced in the human motor cortex. Eur. J. Neurosci. 26, 2687-2691 (2007).
  28. Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. J. Neural Eng. 5, 163-174 (2008).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics