Teknikk og hensyn ved anvendelse av 4x1 Ring HD-Transkranial Direct Current stimulering (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

HD-transcranial likestrøm stimulering (HD-tDCS), med sin 4x1-ring montasje, er en ikke-invasiv hjerne stimulering teknikk som kombinerer både neuromodulatory effekten av konvensjonelle tDCS med økt focality. Denne artikkel gir en systematisk demonstrasjon av bruken av 4x1 HD-tDCS, og de betraktninger som kreves for sikker og effektiv stimulering.

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

HD-transcranial likestrøm stimulering (HD-tDCS) har nylig blitt utviklet som en ikke-invasiv hjerne stimulering tilnærming som øker nøyaktigheten av dagens levering til hjernen ved hjelp av matriser av mindre "high definition"-elektroder, i stedet for større pad- elektroder av konvensjonelle tDCS. Målretting oppnås med magnetiserende elektroder plassert i forutbestemte konfigurasjoner. En av disse er 4x1-ring konfigurasjon. Ved denne fremgangsmåten blir en senterring elektrode (anode eller katode) ovenpå målet kortikal regionen omgitt av fire returelektroder, som bidrar til omgi området av stimulering. Levering av 4x1-ring HD-tDCS er i stand til å fremkalle betydelige nevrofysiologiske og kliniske effekter i både friske forsøkspersoner og pasienter. Videre er dens toleranse støttet av studier med intensiteter så høyt som 2,0 milliampere i opp til tyve minutter.

Selv om 4x1 HD-tDCS er enkel å prestam, er riktig elektrode posisjonering viktig for å nøyaktig stimulere målet kortikale regioner og utøve sin neuromodulatory effekter. Bruk av elektroder og maskinvare som har spesielt blitt testet for HD-tDCS er avgjørende for sikkerhet og toleranse. Gitt at de fleste publiserte studier på 4x1 HD-tDCS har målrettet den primære motor cortex (M1), spesielt for smerte-relaterte utfall, er hensikten med denne artikkelen å systematisk beskrive sin bruk for M1 stimulering, samt hensyn som skal tas for sikker og effektiv stimulering. Imidlertid kan metodene beskrevet her være tilrettelagt for andre HD-tDCS konfigurasjoner og kortikale mål.

Introduction

Transkranial likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv teknikk for stimulering hjerne stand til å modifisere neuronal hvilende membranpotensial og graden av spontan nevronal utløsning på området stimulering samt i innbyrdes forbundede nevrale nettverk 1, innbefattende det endogene μ-opioid-systemet 2, og dermed modulerende kortikale oppstemthet. De neuromodulatory effektene av tDCS, kombinert med sin lave pris, enkel søknad og portabilitet, har ført til utstrakt bruk det siste tiåret i et bredt utvalg av innstillinger. Disse har tatt nevrofysiologiske studier, kognitive og atferdsmessige intervensjoner og pasient studier som vurderer lidelser som kronisk smerte, depresjon, migrene, hjerneslag, Parkinsons sykdom og tinnitus tre. Men levering av likestrøm (DC) er utført ved hjelp av store pads, oftest mellom 25-35 cm 2, som stimulerer relativt brede områder av cerebral cortex ligger between anoden og katoden 4.. Derfor er fokal stimulering av target kortikale regioner som ikke involverer stimulering av nabo anatomiske områder, vanskelig å oppnå med denne teknikk. Flere tilnærminger har vært undersøkt for å "forme" strøm ved å variere mellom elektrode avstand fem og øke / senke pad størrelse for å redusere / øke modulasjon i kortikale regioner under elektroden seks. Likevel, forsøk på ytterligere mål strøm mens du unngår skifting av strøm mellom elektrodene 7,8 gjenstår av interesse.

High-Definition (HD)-tDCS er en nyutviklet intervensjon som bruker matriser av mindre, spesialdesignede elektroder ni. Forskjellige konfigurasjoner har blitt testet, som kan modifiseres for å bedre stimulering av mål 10. Blant dem er 4x1-ring konfigurasjon, en montasje som bruker en midtelektroden overliggende målet kortikale region omgittetter fire returelektroder fire. Midtelektroden definerer polariteten av stimulering som enten anodisk eller katodisk, og radiene av returelektroder begrense gjennomgår området eksitabilitet modulasjon. Brain modellering studier viser at arealet av cortex under modulering med 4x1 HD-tDCS konfigurasjonen er mer begrenset i forhold til standard bipolar montasje av konvensjonelle tDCS fire. Videre er dens focality robust til vev (modellering) parametrene 11. Kliniske nevrofysiologisk studier med 4x1-ring transcranial elektrisk stimulering bekrefter focal levert strøm 12.

Den potensielle anvendelser av denne intervensjonen er lik de konvensjonelle tDCS. Atferdsmessige og nevrofysiologisk studier med 4x1-ring HD-tDCS over primære motor cortex (M1) rapporterer endringer i hjernebarken oppstemthet 13 og ettervirkninger som kan vare lenger enn de med indusert av konvensjonelle tDCS 14. Aktuelle studier med 4x1-ring HD-tDCS støtte sin toleranse hos både friske forsøkspersoner 13-15 og pasienter 16 når intensiteter så høyt som 2,0 milliampere (mA) leveres i opp til tjue minutter. Selv om HD-tDCS er godt tolerert, er det viktig å bruke bare enheter og elektroder som er testet spesielt for dette formålet.

Formålet med denne artikkelen er å gi en systematisk demonstrasjon av bruk av 4x1-ring elektroder for HD-tDCS. Stimulering av M1 ble valgt, ettersom det er den vanligste montage brukes i ulike kliniske forskningsmiljøer. Imidlertid kan metodene skissert være tilrettelagt for målretting av andre områder av hjernen som dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). Som det vil bli vist her, er korrekt posisjonering elektrode enkel å utføre, men viktig for å nøyaktig stimulere target kortikale regioner. Vi håper denne demonstrasjonen vil bidra til å støtte og øke rigor av fremtidige HD-tDCSprøvelser, som vil gi ytterligere bevis på mekanismene og anvendelser av denne romanen intervensjon.

Protocol

En. Kontraindikasjoner og spesielle Hensyn

  1. Før oppsett av enheten, bekrefter at deltakeren ikke har noen kontraindikasjoner for HD-tDCS. Det synes rimelig å anta at disse kontraindikasjoner er de samme som for konvensjonelle tDCS (tabell 1). Andre særlige hensyn, som for eksempel pasientens medisiner, bør også tas i betraktning. For eksempel kan sentralnervesystemet system-virkende medikamenter endre de ønskede effektene av stimulering.
  2. Inspisere deltakerens hodebunnen grundig for kutane lesjoner, som for eksempel kutt eller provoserende tegn. Unngå å stimulere områder av hodebunnen som viser slike lesjoner. I tillegg bør stimulering unngås hos pasienter med skalle defekter eller metalliske implantater. Hvis formålet med studien er å spesifikt studere denne pasientgruppen, bør ekstra forholdsregler og spesielle dose hensyn tas i betraktning (f.eks med beregningsorientert fremover modeller) 17

2. Materialer

  1. Sikre at alle nødvendige materialer er lett tilgjengelig (tabell 2).
  2. Integrer plast HD foringsrør i den modulære electroencephalogram (EEG) opptak cap. Midtelektroden skal tilsvare målområdet, i denne demonstrasjonen M1 og radius av de fire returelektroder bør justeres basert på protokollen som blir studert. I denne demonstrasjonen, bruker vi en radius på ca 7,5 cm, med midtelektroden plassert over M1 og returelektroder 'plassering tilsvarende omtrent til Cz, F3, T7 og P3 i International 10-20 EEG system 18.
  3. Før hver stimulering økten, slå på den konvensjonelle tDCS enhet (Soterix 1x1 lav intensitet DC Stimulator) og Multichannel Stimulering Adapter og sjekk at batteriene er ladet. En "lavt batteri"-indikatoren på hver enhet vil lyse hvis det ikke er tilfelle, noe som indikerer at batteries må byttes. Etter å ha sjekket batteriet, kan enhetene bli slått av til like før stimulering. Den konvensjonelle tDCS enheten er en batteridrevet enhet som leverer DC med en intensitet på noen få mA. En strøm-styrt og ikke en spenningsstyrt stimulator er foretrukket på grunn av skiftende impedans elektroden. Bruken av strømforsyninger er alltid motet av sikkerhetsgrunner, for å unngå utilsiktet levering av større intensitet. Driften av denne enheten ble beskrevet i vår tidligere artikkel 19. Ved å koble den konvensjonelle tDCS enheten til Multichannel Stimulering Adapter (figur 1), er DC leveres langs 4x1 HD-tDCS konfigurasjon som åpner for neuromodulation begrenset til det ønskede området.
  4. Før hver økt, visuelt inspisere elektrodene før bruk for tegn på unormal slitasje eller skade. Den HD-tDCS elektroder er gjenbrukbare, men har et begrenset antall totale søknader (se Discussion). Elektrodemontasjer som benyttes for HD-tDCS skulle vært spesielt utformet eller testet for dette formål. Tilnærmingen er påvist i denne artikkelen bruker Ag / AgCl sintrede ring elektroder (figur 2). Bruken av disse elektroder, i kombinasjon med passende elektrisk ledende gel og HD-plast foringsrør, har vist seg å minimalisere endringer i stimulering elektrodepotensial og pH-endringer i gelen mens produsere ingen vesentlig oppvarming 9,20, og resulterer derfor i en tryggere og mer effektiv måte i forhold til andre typer av elektroder.
  5. Koble til kablene på fem Ag / AgCl sintrede ring elektroder til de matchende mottakere på 4x1 adapter utgang kabel. Midtelektroden vil være den som avgrenser polariteten av stimulering som enten anodisk eller katodisk. Sørg for å koble sentrum elektrodeforbindelsesledning til sentrum mottaker plugg. Deretter kobler de resterende elektrodene i de omkringliggende plugger. Det bør bemerkes at denAnordningen av fire returelektroder i mottageren plugger er ikke kritisk, ettersom de vil alle være den samme polaritet.

3. Målinger

Leder måling og lokalisering av området av stimulering er de samme som for konvensjonelle tDCS, som forklart i forrige artikkel 19. Trinnene vil bli beskrevet igjen i detalj for nærmere avklaring.

  1. Har deltakeren sitte komfortabelt i en stol, som kan ha en nakkestøtte.
  2. Stimuleringen området er bestemt av protokollen av interesse for forskere, siden stimulering av forskjellige områder resulterer i klare effekter. Mest vanlig er den internasjonale 10-20 EEG-system 18 som brukes for hode målinger, som beskrevet nedenfor.
  3. Først lokalisere toppunktet (Cz).
    1. For å gjøre dette, måle avstanden fra Pannetøtten til inion og dele avstanden til det halve. Den Pannetøtten er stedet i krysset the panne og nasal bein, og den inion er den mest fremtredende punktet på bakhodebeinet (figur 3). Markere stedet som en linje, ved hjelp av en olje blyant eller et ikke toksisk vannbasert markør.
    2. Dernest måle avstanden mellom venstre og høyre pre-auricular poeng (dvs. området anterior til tragus). Dele denne avstanden til det halve, og merk stedet med en linje. Nå kobler begge linjene for å lage et kors. Punktet hvor begge linjer skjærer hverandre tilsvarer Cz.
  4. Avhengig av protokollen som studeres, identifisere målet området på hodet.
    1. For å stimulere over primær motor cortex (M1), beregne 20% av avstanden fra Cz til venstre eller høyre pre-aurikulær punkt, som begynner målingen ved Cz (figur 3). For en mer nøyaktig bestemmelse av dette område, kan bruken av adjunkt metoder som nevronavigasjon systemer eller Transkranial magnetisk stimulering (TMS) være egnet.

    4. Skin Preparation

    1. Forbered huden på stimulering nettstedet ved å skille håret. En alkoholserviett kan brukes for å bidra til å fjerne talg eller hår produkter fra hodebunnen. Ikke slipes huden. Pass på at ingen hudskader er til stede.

    5. Elektrode Posisjonering og Device Setup

    1. Etter målehodet dimensjoner og forbereder huden, finne merket tilsvarer M1.
    2. Deretter holde M1 mark i sikte, plasserer den modulære EEG opptak cap på motivets hode mens du holder senteret plasthölje over mark. For å holde M1 kryss på hodebunnen i sikte, kan man flytte håret rundt før du legger HD casing over det. Sørg for at lokket sitter godt, men komfortabelt, og justere plasseringen av de fire retur plastkabinetter. Selv om andre tilnærminger er absolutt gjennomførbart, i en tidligere rettssak 16 posisjonert vi returelektroder i en radius på approximately 7,5 cm fra M1. Deres steder tilsvarte omtrent til Cz, F3, T7 og P3 (figur 4). Deretter justere stroppene på EEG cap.
    3. Ved hjelp av et målebånd, bekrefter at inter-elektrode avstanden er tilstrekkelig basert på studien protokollen.
    4. Ved hjelp av enden av en tre-vattpinne, dele opp håret gjennom åpningen i den plastkapsling inntil hodebunnen er eksponert. Gjenta under hver casing.
    5. Introduser omtrent 1,5 ml av elektrisk ledende gel gjennom åpningen av hvert plast-skallet, som begynner på hodebunnen overflate. Anvendelse av gelen kan oppnås ved hjelp av en plastsprøyte. Nøye unngå spredning gel utover omkretsen av plast-skallet, da dette kan føre til shunting av elektrisk strøm og utilstrekkelig strøm flyte (fig. 5).
    6. Neste, med sin ru overflate vendt ned og den glatte avrundede vendt opp, posisjon en Ag / AgCl sintret ringelektroden i hvert HD plast casing. Brukesprøyte eller stempelet som en veiledning om nødvendig, senker ringelektroden til den hviler på bunnen av plastbeholderen.
    7. Legg litt mer gel til å dekke elektroden, og deretter bruke caps følger med HD plastkabinetter å låse elektrodene på plass (figur 6). Denne kapsel vil holde elektroden på plass i løpet av stimulering. Roter hetten for å låse den på plass. Hvis plastlokk ikke slår lett ikke bruk makt. Etterjustere elektrode som er beskrevet i 5.6, og deretter forsøke å låse lokket på plass. Lokket av HD plast casing er utformet for å slå lett hvis Ag / AgCl sintret ringelektroden er skjøvet helt og i riktig posisjonering.
    8. For å redusere spenning på elektroden kabler, sløyfe dem rundt hver plast casing og tape dem til stolen eller til fagets klær (figur 7).
    9. Koble den runde enden av produksjonen kabelen til 4x1 Adapter utgang.
    10. Bruk inngangskabelen to koble 4x1 Multichannel Stimulering Adapter til konvensjonelle tDCS enheten. Koble kjegle-plugg slutten av input-kabelen til 4x1 Adapter-inngangen og koble den andre enden av input kabel (to banan-type plugger) til utgangen på konvensjonelle tDCS enheten. Viktig er det at kabelen som er merket som "Center" den som vil definere DC polaritet levert fra midtelektroden som enten anodisk eller katodisk. Vær oppmerksom på at når du bruker 4x1 Multichannel Stimulering Adapter i kombinasjon med konvensjonelle tDCS enhet er det ingen bryter eller knapp for å velge sentrum-anode eller sentrum-katoden. Denne polaritet bestemmes gjennom prosessen med å koble kontakten kabel banan-type plugger til de konvensjonelle tDCS enheten utganger, som beskrevet ovenfor. I tDCS og HD-tDCS, "anode" refererer til den relativt positive terminalen hvor positive dagens renn i kroppen. På den annen side, er "katode" den relative negative terminalen hvor positiv strøm thøne kommer ut av kroppen.
    11. Når koblingene er klar, slå på begge enhetene.
    12. Pass på at impedansverdier er innenfor tilstrekkelig avstand ved å vri på "Mode select" knappen i 4x1 Multichannel Stimulering Adapter til "Scan". Enheten vil da skanne elektrodene, viser impedans på en elektrode på et tidspunkt i displayet. Den "Lead veksle"-knappen kan brukes til å slå denne automatisk veksling av elektrodene i displayet. Knappen kan trykkes for å låse skjermen på den valgte elektroden, og undersøke impedans. Deretter kan det bli presset igjen for å tillate enheten å endre elektrode vist. Den 4x1 Multichannel Stimulering Adapter-enheten vil måle impedans i "kvalitet enheter". Kontakten kvalitet er normalisert til disse "kvalitet enheter" av testkretsen basert på det faktum at elektroden motstand er ikke-lineær for den elektrode-grensesnitt elektrokjemiske prosesser 21, og at elektroden motstand (impedans) kanderfor være misvisende. For eksempel er motstanden målt tilsynelatende helt avhengig av teststrømmen 22.. Lavere "kvalitet enheter" verdier er ønskelig. Selv om ingen strenge retningslinjer er tilgjengelige til nå, verdier som er lavere enn eller lik 1,50 til 2,0 enheter "kvalitet" er blitt brukt som en grenseverdi i tidligere studier 15,16.

    Aktiver ikke konvensjonelle tDCS enheten mens den 4x1 Multichannel Stimulering Adapter er i "Scan" (impedans sjekk)-modus, som stimulering ikke vil bli levert til emnet.

    1. Hvis impedansverdier er utenfor disse ønskede grenser, åpne lokket av plast casing inneholder elektroden viser høy impedans og fjern Ag / AgCl sintret ringelektroden. Følge prosedyrene som beskrevet ovenfor (dvs. 5,4 til 5,7) for å justere hår og elektroden for å oppnå optimal impedans. Sjekk impedans igjen, som nevnt i 5.12. Når målet kvalitet verdi er oppnådd, erstatce lokket på kabinettet. Gjenta fremgangsmåten for andre elektroder etter behov. Optimal kvalitet indikasjon kan variere fra fag til fag, men en kvalitet indikator høyere i en elektrode enn i de andre kan tyde på dårlig kontakt i den elektroden.
    2. Når impedans kvalitet for alle elektrodene er bekreftet å være innenfor det ønskede området, snu "Mode velg" knappen i 4x1 Multichannel Stimulering Adapter fra "Scan" til "Pass". Denne innstillingen gjør gjeldende å passere fra den konvensjonelle tDCS enheten gjennom elektrodene inn i 4x1-enheten. Operatøren er nå klar til å starte stimulering.

    6. Stimulering

    1. Sikre at deltakeren sitter komfortabelt i stolen og er fortsatt våken under stimulering.
    2. HD-tDCS brukes nå med kontrollene på den konvensjonelle tDCS enheten som vist i vår forrige artikkel 19. Bekreft varighet og intensitet av stimulering blir levert, og justerenheten etter behov. I tillegg, bestemme modusen av økten (sham eller aktiv stimulering). Hvis humbug modus er valgt, vil enheten automatisk levere strøm i en periode på tretti sekunder bare. Denne tilnærmingen har blitt rapportert å være vellykket for blinding av deltakere i både konvensjonelle tDCS 23 og HD-tDCS 15 prøvelser.
    3. Initiere HD-tDCS sesjon ved å trykke på "Start"-knappen på den konvensjonelle tDCS enheten. "Start" blinker så DC intensitet er trappet opp og deretter lyse kontinuerlig når målet strøm er nådd. Timeren vil da vise gjenværende tid og den "sanne Current"-indikatoren vil vise den nåværende intensitet levert til midtelektroden og de fire returelektroder kombinert.
    4. Det kan være tilfelle at personer indikerer ubehag, kløe eller prikking under den innledende stimulering perioden 24. Skulle disse symptomene være for ubehagelig, anbefales det at dagens intensiteten være maår om gangen trappet ned med 0,2-0,5 mA i noen sekunder ved hjelp av "Relax"-funksjonen til faget føles behagelig. Umiddelbart etter, bør strømstyrken økes gradvis tilbake til den opprinnelige dosen. De ovennevnte opplevelser vanligvis pleier å visne bort etter noen minutter av stimulering.

    7. Etter inngrepet

    1. Etter at sesjonen er avsluttet, kan motstanden over alle kanalene bli målt på nytt hvis ønskelig. Åpne hettene og forsiktig fjerne Ag / AgCl sintrede ring elektroder fra foringsrør. Om nødvendig, bruk den butte enden av en bomullspinne for å unngå å rykke på elektrode ledninger. Elektrodene bør vaskes forsiktig med vann for å fjerne gel og deretter tørkes før lagring.
    2. Deretter fjerner EEG cap med den innebygde plastkabinetter. Ikke fjern EEG cap med hettene lukket, som deltakerens håret kan bli fanget i caps og / eller foringsrør. De plastkabinetter bør da vaskes tilfjerne gel, og tørket med et papirhåndkle.
    3. Ved hjelp av et papirhåndkle, fjerne de gjenværende gel fra motivet hode. Fordi gelen er vannløselige, kan noe vann bli brukt for å fjerne den.
    4. Det anbefales å spørre informanten om å fylle ut et spørreskjema etter hvert stimulering økt for å overvåke eventuelle bivirkninger (Tabell 3).

Representative Results

Hvis elektrodene er riktig plassert og impedansen verdier er innenfor en tilstrekkelig rekkevidde, vil DC flyte fra anoden til de flere katoder (for anode-senteret 4x1 HD-tDCS) for varigheten av stimuleringen. Målet nåværende intensitet vil bli levert av den konvensjonelle tDCS enheten og vist i «True nåværende" indikator. Tilsvarende, hvis humbug modus er valgt, vil enheten automatisk slutte å levere DC omtrent tretti sekunder etter debuten, og indikatoren viser opphør av DC levering (Figur 8).

Det er vanlig for deltakerne å rapportere kløe, prikking eller en svak brennende følelse i begynnelsen av stimulering. Disse fenomenene observeres ofte både under humbug og aktiv HD-tDCS 15,16 og bør indikere at DC blir levert som forutsatt. Men de vanligvis pleier å visne bort etter de første minuttene av stimulering.

innhold "> Det er vanligvis antatt at hjernen områder med mer strøm er mer sannsynlig å være modulert mens regionene vil lite eller ubetydelig strøm vil ikke bli direkte berørt. Som sådan, ville det sentrale strøm produsert av 4x1-HD-tDCS være forventes å oppnå lokalisert neuromodulering. Computational 4,14,15 modeller har vist at 4x1-ring HD-tDCS resulterer i mer fokal hjerne stimulering, sammenlignet med konvensjonelle tDCS (figur 9). Som rapportert av Datta et al. 4,11, jo område av kortikale eksitabilitet modulering indusert av 4x1-ring HD-tDCS ble begrenset innenfor ringen omkrets, og toppen av elektrisk felt var under midtelektroden. derimot konvensjonelle tDCS stimulering forårsaket av forskjellige andre regioner som den ipsilaterale temporale og bilaterale Frontallappene, og det elektriske feltet toppet seg midtveis mellom de to elektroder i stedet for under ett av dem.

HD-tDCS er en roman technique og derfor dens effekter har ikke undersøkt så mye som de konvensjonelle tDCS. Men dens potensielle anvendelser er like, med andre fortsatt på å bli utforsket. Aktuelle studier med 4x1-ring HD-tDCS viser at hos friske frivillige kan det betydelig redusere varme og kalde sansefysiologi, og føre til en marginal analgetisk effekt for kalde smerteterskel (Figur 10) 15. I tillegg kan det føre til vesentlige endringer i kortikal eksitabilitet, som målt ved hjelp av motor fremkalt respons 13,14 (figur 11). I fibromyalgi pasienter, indusert aktiv 4x1-ring HD-tDCS en betydelig reduksjon i opplevd smerte (Figur 12) og betydelig økt mekaniske deteksjonstersklene i forhold til sham 16 år.

Studier som sammenligner HD-tDCS og konvensjonelle tDCS vil være viktig for å belyse effektene av hvert inngrep. Men en enkelt ti-minutters sessio n av anodisk HD-tDCS på 2,0 mA har allerede blitt rapportert av Kuo et al. 14. øve mer fremtredende, mer langvarig eksitatoriske ettervirkninger og mer utholdelig stimulering enn konvensjonelle tDCS (figur 13), støtter sin bruk i forskning og potensielt i kliniske settinger.

Figur 1
Figur 1. 4x1 Multichannel Stimulering Adapter (til venstre) som er koblet til konvensjonell tDCS enhet (til høyre).

Figur 2
Figur 2. Ag / AgCl sintrede ring elektroder, med glatte avrundede (svart) og ujevne overflater. Elektrodene er koblet til de tilhørende mottakere på 4x1 adapterens utgående kabel.

tp_upload/50309/50309fig3.jpg "/>
Figur 3. Anatomisk landemerker (til venstre) og primære motor cortex (M1) lokalisering basert på International 10-20 EEG System (til høyre).

Figur 4
Figur 4. Forslag til posisjonering for HD-elektroder basert på 10-20 EEG System. Andre montasjer kan også bli testet.

Figur 5
Figur 5. Elektrisk gel program (til venstre). For å hindre strøm fra skifting mellom elektrodene, bør man sørge for å unngå spredning av elektrisk gel utover grensene for plast casing (til høyre).

Figur 6
Figur 6. Placement av ringelektroden i plast casing. Den ru overflaten av elektroden skal vende ned, og den glatte runding med forsiden opp. Ringen elektroden skal deretter senkes slik at den hviler på bunnen av plastbeholderen (til venstre) og hetten låses i stilling (til høyre).

Figur 7
Figur 7. Sample 4x1 HD-tDCS oppsett.

Figur 8
Figur 8. Levering av aktive (venstre) og sham (høyre) modus ved konvensjonell tDCS enhet. Fra DaSilva et al. 19..

Figur 9
Figur 9. Datamodell sammenligning mellom primære motor cortex 4x1-ring HD-tDCS (over) og konvensjonelle tDCS hjelp av en standard bipolar svamp montage (nedenfor). Klikk her for å se større figur .

Figur 10
Figur 10. Varme og kalde sansefysiologi og kalde smerteterskel målt hos friske personer før (pre) og etter (post) 4x1-ring HD-tDCS. Protokollen besto på levering av 2 mA av aktiv anodisk HD-tDCS eller simulert stimulering til den primære motor cortex i 20 min. Endret fra Borckardt et al. 15.. Klikk her for å se større figur .

p_upload/50309/50309fig11.jpg "/>
Figur 11. Effekter av 4x1-ring HD-tDCS på motor fremkalt potensialer (MEP) amplitude hos friske personer. Protokollen besto på levering av 1 mA av aktiv anodisk HD-tDCS eller simulert stimulering til den primære motor cortex i 20 min. MEP ble målt før og etter stimulering, og amplituden av sistnevnte normalisert til den av utgangsverdien. Værhår representerer standardavvik. Endret fra Caparelli-Daquer, et al. 13..

Figur 12
Figur 12. Effekter av 4x1-ring HD-tDCS på oppfattet smerter i fibromyalgi pasienter. Pasientene ble bedt om å rangere sin generelle smerter ved hjelp av en visuell numerisk skala før, umiddelbart og 30 min etter stimulering. Protokollen besto av enkle økter med aktiv anodisk og katodisk HD-tDCS, levert til venstre primære motor cortex (2mA i 20 min) og simulert stimulering. Værhår representerer standard feil. Endret fra Villamar et al. 16..

Figur 13
Figur 13. Sammenligning av ettervirkningene indusert av anodisk og katodisk stimulering ved hjelp av konvensjonelle tDCS og 4x1-ring HD-tDCS. Motor fremkalt potensial (MEP) amplitude ble målt før og etter levering av 2 mA konvensjonelle tDCS eller 4x1 HD-tDCS for 10 min. Sekvensielle Vurderingene ble utført for å evaluere den tiden løpet av ettervirkninger. MEP amplitude post-stimulering ble normalisert til det av baseline. Endret fra Kuo et al. 14..

Har du noen gang ... Hadde en negativ reaksjon på TMS / tDCS?
Hadde en seizure?
Hadde en uforklarlig tap av bevissthet?
Hatt et slag?
Hadde en alvorlig hodeskade?
Hadde kirurgi til hodet ditt?
Hadde noen hjerne relaterte, nevrologiske sykdommer?
Hadde noen sykdom som kan ha forårsaket hjerneskade?
Har du lider av hyppige eller alvorlig hodepine?
Har du noe metall i hodet (utenfor munnen) som granatsplinter, kirurgiske klemmer, eller fragmenter fra sveising?
Har du noen implantert medisinsk utstyr som pacemakere eller medisinske pumper?
Tar du noen medisiner?
Er du gravid, eller er du seksuelt aktiv og ikke sikker på om du kan være gravid?
Har noen i familien din epilepsi?
Har du behov for ytterligereforklaringer på tDCS / HD-tDCS eller en av våre assosierte risikoer?

Tabell 1. Screening for kontraindikasjoner og spesielle hensyn før tDCS / HD-tDCS.

Materialer En konvensjonell tDCS enhet
En 4x1 Multichannel Stimulering Adapter
Fire 9-volts batterier
En modulær electroencephalogram innspilling cap
Fem Ag / AgCl sintrede ring elektroder
Fem spesialdesignede HD plastkabinetter og deres respektive caps
En plast stempelet
Kabler
Ett målebånd
En tre bomullspinne
Elektrisk ledende gel
En 3 - eller 5-ml sprøyte
Teip
Papirhåndklær

Tabell 2. Materialer.

Visste du opplever noen av følgende symptomer eller bivirkninger? Skriv inn en verdi (1-4) i feltet nedenfor.
1-Absent
2-Mild
3-Moderat
4-Alvorlig
Hvis den finnes, tror du dette er relatert til HD-tDCS?
1-None
2-Remote
3-Mulig
4-Sannsynlig
5-Definite
Merknader
Hodepine
Nakkesmerter
Hodebunnen smerte
Hodebunnen brannsår
Prikking
Skin rødhet
Søvnighet
Problemer med å konsentrere
Akutt stemning endring
Annet (spesifiser):

Tabell 3. Negativ effekt screening etter HD-tDCS.

Discussion

Kritiske trinn

Aspekter som skal sjekkes før du starter prosedyren

Før du starter stimulering, bør forskerne sørge for at deltakeren har ingen kontraindikasjoner for HD-tDCS. Tabell 1 viser noen viktige hensyn som skal tas i betraktning, og oppsummerer de viktigste kontraindikasjoner, inkludert tilstedeværelse av metalliske implantater eller enheter i hodet, alvorlig hjerneskader eller betydelige hudforandringer. Forskeren bør undersøke for tilstedeværelse av sistnevnte i 4x1-ring perimeter mens forbereder elektrodene skal plasseres. Vi anbefaler ikke bruk av teknikken hvis slike lesjoner eksisterer. Dette er viktig som, om hudskader ikke er rapportert ved bruk av HD-elektroder og foringsrør vist i denne artikkelen, har hudskader blitt rapportert etter levering av flere påfølgende økter med konvensjonelle tDCS tre, spesielt hvis utført overa periode på 14 dager 25.

Tilstedeværelsen av metalliske implantater eller mangler i skallen eller hjernen parenchyma kan betydelig endre strømmen 17,26 og resultere i stimulering av kortikale regioner enn de hadde tenkt. Av sikkerhetsmessige grunner, bør stimulering unngås hos pasienter med implantert medisinsk utstyr. Relative kontraindikasjoner inkluderer epilepsi eller tidligere hjerneslag, med mindre studien er spesielt fokusert på å studere disse forholdene. HD-tDCS bør unngås hos gravide kvinner på grunn av manglende data vedrørende sikkerhet.

Det er av største betydning for å sjekke polariteten på kablene når du kobler 4x1 Multichannel Stimulering Adapter til konvensjonelle tDCS enheten. Unnlatelse av å gjøre det kan resultere i å levere feil type stimulering til deltakeren. Sørg for at kabelen merket som "Center", som ofte kan være rød, er koblet til riktig terminal (anode eller katode).

Operatøren skal også visuelt inspisere Ag / AgCl sintrede ring elektroder for bevis for deponering av elektrolyse produkter før hver bruk, og bytt dem hvis indisert. Etter hver aktiv stimulering sesjon, produkter av elektrokjemiske reaksjoner har en tendens til å bygge seg opp på den ru overflaten på bunnen av elektrodene. Av denne grunn, anbefales det at hver elektrode være lokalisert i sentrum av den 4x1 konfigurasjon for to aktive stimulering økter bare. Deretter kan den roteres, og brukt som en av returelektroder. Når hver av de fem elektrodene i et sett har tjent som midtelektroden to ganger, er det anbefalt å bruke et nytt sett av elektroder. Det er enkelt å merke hver elektrode og registrere antall anvendelser for å rotere dem på en koordinert måte. I tillegg til toleranse, blir (begrenset) rotasjon av elektrodene også til hensikt å unngå en høy-impedans tilfelle hvor strøm ikke vil bli delt likt acrOss fire returelektroder. Operatøren er ansvarlig for å kontrollere kontakt kvaliteten før stimulering (som forklart i trinn 05.12 til 05.14), og sikre at ingen unormalt høye motstand verdier er observert.

Det kan forekomme at deltakerne beveger hodet mye eller utilsiktet trekke kablene og løsne eller brekke dem. Av denne grunn er det tilrådelig å sløyfe hver kabel rundt sin plast casing og å tape 4x1 adapter utgang kabel til en overflate (dvs. stol eller deltakernes klær).

Om ønsket kan det være mulig å legge topiske anestetika til hodebunnen for å hindre potensielt ubehagelige inntrykk og for å forsterke blinding av deltakerne i studien. Det bør imidlertid være oppmerksom på at selv om brannskader ikke har blitt rapportert med HD-tDCS, kan det være en liten teoretisk risiko for denne bivirkningen og bruk av aktuelle bedøvelse kan hindre deltakerne fra reporting det i løpet av stimulering. I denne demonstrasjon, så vel som i våre tidligere undersøkelser, har vi ikke brukt topiske anestetika som ubehag rapporteres generelt som mild.

Som nevnt ovenfor, for å få optimale resultater er det meget viktig å hindre at den elektriske gel sprer seg ut over grensene for den plastikkbeholder. Ellers nåværende kraft shunt fra en elektrode til en annen.

Viktige hensyn under stimulering

Med mindre dette er nødvendig som en del av studiet design, bør faget ikke skal sove, lese eller på annen måte forstyrret under stimulering økten. Dette er viktig fordi det har blitt rapportert at intens kognitiv innsats, kjedsomhet eller sover, muskel aktivering og andre aktiviteter som fører til endringer i hjernebarken oppstemthet kan resultere i endrede og motsatte effekter av konvensjonelle tDCS 27.

Ved oppstart av stimulation, og for å hindre bivirkninger fra plutselige start av strømgjennomgang, enheten automatisk ramper strøm opp og ned over en periode på tretti sekunder. Av lignende grunner, ikke veksle mellom "Pass" og "Scan"-modus mens konvensjonelle tDCS enheten genererer strøm. Det er alltid lurt å jevne spørre fagene om de føler seg komfortabel med prosedyren for å sørge for at stimulering går trygt.

Stimulering hos utsatte pasientgrupper, inkludert pediatriske pasienter, kan kreve dosejustering.

Praktiske aspekter etter inngrepet

For å samle inn ytterligere bevis på sikkerheten og for å overvåke HD-tDCS effekter, anbefaler vi at du bruker en negativ effekt spørreskjema som den avbildet i tabell 3, som skal leveres til deltakerne etter hver økt. Kontroller for screening av tilstedeværelsen av de vanligste adveRSE effekter forbundet med HD-tDCS, for eksempel ubehag, prikking, kløe og svie. Videre kan meaningfulness av disse dataene forbedres ved også å be om kvantitative subjektiv vurdering. Dette kan oppnås ved å ha en numerisk skala for pasienter å rapportere intensiteten eller graden av de uønskede bivirkninger, for eksempel 1-5 eller 1-10. Det er også viktig å levere den bivirkning spørreskjema etter hvert sham sesjon. Dette gir mulighet for å sammenligne hyppigheten av uønskede bivirkninger assosiert med både aktive og sham stimulering. For konvensjonelle tDCS, har noen bivirkninger blitt rapportert å være enda hyppigere i humbug gruppe 24, hodepine er ett eksempel.

Mulige endringer

For 4x1 HD-tDCS, kan stimuleringsregimer være utformet som involverer ulike mål steder, strøm polaritet og intensitet og radius av ringen. Som en generell regel vil øke 4x1 ring diameter øktSE dybden av penetrering og maksimal intensitet under ringen 28.. Omvendt, redusere ring radius øker focality men minsker indusert hjernen elektrisk felt. Derfor er videre undersøkelser av optimal dose per indikasjon berettiget.

Selv om denne artikkelen er fokusert på 4x1-ring HD-tDCS, kan andre elektrode distribusjoner også brukes, slik som 4x2 og 3x3 (dual stripe), blant andre. Selv om HD-tDCS tilbyr mange muligheter for tilpasning, metodene for plassering og forbereder elektroder, som beskrevet her, bør følges sammen med hjelp av bare maskinvare og tilbehør som har spesielt blitt testet for dette formålet. Dette inkluderer å betale spesiell oppmerksomhet til HD plasthölje design, gel, og elektroder. For eksempel har elektroder andre enn Ag / AgCl sintret ring også blitt testet for å levere DC, slik som Ag pellet, Ag / AgCl pellet, Ag / AgCl-plate og gummi pellet 9.. Men både Ag og gummi pellet elektroder indusered endringer i pH og økning i temperatur og elektrodepotensial ble rapportert for alle elektroder bortsett Ag / AgCl ring og plate. Derfor ser det ut til at Ag / AgCl ring elektroder kan være en effektiv og tryggere tilnærming. I fremtiden kan modifikasjoner av den tilnærmingen som er beskrevet i denne artikkelen også brukes til å levere intervensjoner som transcranial vekselstrøm stimulering.

Begrensninger

På dette punktet, er rollen til 4x1-ring HD-tDCS polaritet på kortikale oppstemthet uklart. Selv om nevrofysiologiske studier har rapportert at både 1,0 mA og 2,0 mA av anodisk 4x1-ring HD-tDCS førte til økninger i hjernebarken oppstemthet blant friske personer 13,14, er et bredere bevismateriale spesielt adressering HD-tDCS studier er nødvendig før noen generalisering kan gjøres. I tillegg er det verdt å merke seg at virkningene av kortikale eksitabilitet modulering ved hjelp av 4x1-ring HD-tDCS kan være tidsavhengig, og nådde sitt ertk flere minutter etter slutten av stimulering og ikke umiddelbart etter det 14,16. Derfor kan sekvensielle vurderinger spissen ulike tidspunkt etter intervensjonen være nødvendig for å oppnå nøyaktige resultater.

Disclosures

MF Villamar, MS Volz, AF DaSilva og F Fregni erklære ingen interessekonflikter knyttet til denne artikkelen. The City University of New York har intellektuelle eiendom på ikke-invasiv hjerne stimulering med M Bikson og A Datta som oppfinnere. M Bikson og A Datta har egenkapital i Soterix Medical, Inc.

Acknowledgments

Forfatterne takker Kayleen Weaver for redaksjonell bistand, Alexandre Venturi for frivillig for denne videoen, Dennis Truong for å gi en av de tall som benyttes i denne artikkelen, og Wallace H. Coulter Foundation for støtten som gis til å utføre dette arbeidet. MS Volz er finansiert av en doktor stipend fra Deutsche Schmerzgesellschaft eV [tyske avdelingen av 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