Использование магнитно-резонансной спектроскопии как инструмент для измерения Би-полушария транскраниальной электрической стимуляции эффектов на первичной моторной коры обмена веществ

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Tremblay, S., Beaulé, V., Proulx, S., Lafleur, L. P., Doyon, J., Marjańska, M., Théoret, H. The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism. J. Vis. Exp. (93), e51631, doi:10.3791/51631 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) представляет собой метод нейромодуляция что все чаще используется в течение последнего десятилетия в лечении неврологических и психических расстройств, таких как инсульт и депрессии. Тем не менее, механизмы, лежащие в основе его способность модулировать возбудимость головного мозга, чтобы улучшить клинические симптомы еще недостаточно изучена 33. Чтобы улучшить это понимание, протонного магнитного резонанса (1Н-MRS) может быть использован, так как позволяет количественно в естественных условиях мозговых метаболитов, таких как γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) и глутамата в области,-специфическим образом 41. В самом деле, недавнее исследование показало, что 1 Н-MRS действительно мощным средством, чтобы лучше понять последствия ТОК на концентрации нейромедиатора 34. Эта статья призвана описать полный протокол для объединения ТОК (NeuroConn MR совместимый стимулятор) с 1 Н-MRS в 3 Тл с помощью MEGA-Кнопки SEQuence. Мы опишем влияние протокола, который показал большие перспективы для лечения двигательных расстройств после инсульта, который состоит из двустороннего стимуляции первичных коры 27,30,31 двигателя. Методологические факторы необходимо учитывать и возможные изменения в протокол, также обсуждаются.

Introduction

Идея применения электричества для человеческого мозга модулировать свою деятельность изучалась с древних времен. На самом деле, сочинения из еще в 11-м веке были найдены, что описывают использование торпедного электрических рыб в лечении эпилептических припадков 1. Тем не менее, это не до недавнего времени, что неинвазивная стимуляция мозга получила широкий интерес в научном сообществе, как это было показано для производства модулирующие влияния на когнитивные функции и двигательной реакции 2. В то время как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) была тщательно изучена с начала 1980-х годов 3, последнее время интерес к транскраниальной постоянного тока стимуляции (ТОК) увеличилась, как это в настоящее время считается жизнеспособным вариантом лечения для широкого круга невропатологий, таких как инсульт 4, алкогольная зависимость 5, и хроническая боль 6. ТОК имеет много преимуществ по сравнению с методами нейростимуляции как TMS, например,так как он относительно недорог, безболезненно, хорошо переносится пациентами, и портативный, что делает возможным вводить в постели 7. На самом деле, только небольшой процент пациентов наблюдается умеренный покалывание во время стимуляции 8. Тем не менее, это ощущение обычно исчезает через несколько секунд 9. Следовательно, ТОК позволяет надежные двойных слепых фиктивные-контролируемые исследования, так как большинство участников не могут отличить фальшивую стимуляцию от реального стимулирования 9,10.

ТОК включает индукция постоянного малоамперные электрического тока (1-2 мА) применяется в кору через поверхностные электроды, расположенные на волосистой части головы субъекта. Электроды обычно помещают в физиологический раствор пропитанной губки или непосредственно на кожу головы с ЭЭГ-типа пасты. Чтобы провести исследование ТОК, четыре основные параметры должны контролироваться экспериментатором: 1) продолжительность стимуляции; 2) интенсивность стимуляции; 3) размер электрода; и 4) электрод монтаж. В стандартных протоколов, "активный" электрод расположен на области, представляющей интерес в то время как эталонный электрод обычно размещают над надглазничного области. Ток течет от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду. Эффект ТОК на первичный моторной коры (M1) определяется полярностью стимуляции где анодной стимуляции усиливает возбудимость населением нейронов и катодная стимуляция уменьшает его 11. В отличие от TMS, наведенный ток недостаточен для получения потенциалы действия в корковых нейронов. Изменения в кортикальной возбудимости, как полагают, из-за модуляции мембраны нейронов порога, ведущей либо к гиперполяризации мембранных потенциалов или облегчении деполяризации нейронов в зависимости от направления протекания тока 8,11. Продолжительность перемен возбудимость может сохраняться в течение до 90 мин после смещениястимулирования, в зависимости от продолжительности стимуляции 11,12.

ТОК и двигателя реабилитации

M1 был широко использован в качестве мишени стимуляции, так как изменения возбудимости вызываемые ТОК может быть количественно через моторных потенциалов (депутаты Европарламента), вызванные один импульс TMS 3. Ранние исследования, показывающие возможность измерения полярности конкретных изменений возбудимости, вызванных ТОК использовали М1 в качестве мишени стимуляции 11,12. С тех пор, М1 остается одним из главных мишеней ТОК в исследованиях с участием обеих клинических групп населения и здоровых людей из-за его важности в моторной функции, формирование памяти и консолидации двигательных навыков 12.

Мозг использует сложного взаимодействия моторных областях обоих полушарий, чтобы выполнить движение 14. Когда одна из областей поврежден, после перенесенного инсульта, например, меж-полушария взаимодействия изменяются. Исследования пластичности мозга показали, что двигатель участки мозга адаптироваться к этой модификации по-разному 15. Во-первых, неповрежденные, окружающие регионы поврежденной области может стать overactived, что приводит к торможению поврежденной области - процесс, называемый внутри полушария торможение. Во-вторых, гомологичной областью поврежденной области может стать overactivated и оказывают на торможение поврежденной полусферы - процесса, называемого межполушарной ингибирование. Пострадавших M1, следовательно, может быть в два раза наказан: сначала поражения и второй путем ингибирования поступающих как из незатронутой M1 и окружающей области, пострадавших М1 16. Недавнее исследование показало, что повышенная возбудимость в незатронутой полушария связана с медленными реабилитации 17, который был описан как неадекватные межполушарной конкурса 18.

Понимание пластичность, произошедшим послеинсульт может привести к разработке протоколов нейромодуляции, которые могут восстановить межполушарные взаимодействий 19. Три основных ТОК процедуры были предложены у пациентов с дефицитом моторных следующих инсульта 20,21. Первая обработка призвана активизировать травмированного двигательной области односторонним анодной стимуляции (а-ТОК). В этом случае, стимуляция направлена ​​на прямое увеличение активности в околоочаговые областях, которые, как считается, необходимы для восстановления. На самом деле, исследования показали, улучшение паретичной верхней или нижней конечности после этого лечения 22-26. Вторая обработка была разработана с целью уменьшения чрезмерной активации contralesional полушарии с применением односторонних катодная ТОК (гр-ТОК) на неповрежденную M1. Здесь, стимуляция направлена ​​на косвенно увеличивая активность в околоочаговые областях через interhemispehric взаимодействий. Результаты этих исследований показали улучшение двигательной functiна после с-ТОК 4,27-29. Наконец, третья обработка направлена ​​на объединение возбуждающие эффекты-ТОК по травмированной M1 с ингибирующих эффектов с-ТОК над непораженной М1, используя двусторонние ТОК. Результаты показали улучшения в моторной функции после двусторонних ТОК 27,30,31. Более того, одно исследование продемонстрировало заметное улучшение следующие двусторонние ТОК сравнению с обеих односторонних методов 32.

Физиологические механизмы ТОК

Несмотря на все более широкое использование ТОК в лечении инсульта, физиологический механизм, лежащий в основе его последствий остается неизвестной 33. Лучшее понимание физиологических эффектов может помочь в разработке более эффективных вариантов лечения и может привести к стандартизованных протоколов. Как упоминалось ранее, эффекты ТОК может длиться в течение до 90 мин после того, как смещение стимуляции 11,12. Поэтому гиперполяризация / деполяризацияпроцессы не могут полностью объяснить долгосрочными последствиями 33,34. Различные гипотезы были предложены относительно физиологический механизм, лежащий в основе ТОК после воздействия на М1 в том числе изменения в высвобождения нейромедиатора, синтеза белка, функции ионных каналов, или активностью рецептора 34,35. Исследования в этом вопросе были впервые приобретены через фармакологических исследований, показывающих, подавление после воздействия анодной и катодной стимуляции на М1 возбудимости со стороны глутаматергическая N-метил-D-аспартата (NMDA) антагониста рецептора декстрометорфан 36,37, тогда как противоположный эффект был показан с использованием агониста рецептора NMDA 38. Рецепторы NMDA, как считается, участвует в процессах обучения и памяти функции через долгосрочной потенцирования (LTP) и долгосрочной депрессии (ООО), как при посредничестве глутаматэргическую и ГАМКергических нейронов 39,40. Исследования на животных в соответствии с этой гипотезой, поскольку они показали, что-ТОК вызывает LTP 13.

<р класса = "jove_content"> Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в понимании механизмов действия, лежащий в основе ТОК эффекты, фармакологические протоколы представляют важные ограничения. В самом деле, действие препарата не может быть, как пространственно конкретны ТОК, особенно в контексте человеческого экспериментирования, и механизм действия их последствий, в основном из-за постсинаптическими 34. Таким образом, существует необходимость исследовать более непосредственно эффекты ТОК на человеческий мозг. Протонного магнитного резонанса (1 H-MRS) является хорошим кандидатом, поскольку это позволяет неинвазивным обнаружения естественных концентраций нейромедиаторов в определенной области интереса. Этот метод основан на том принципе, что каждый протон-содержащих нейрохимические в головном мозге имеет специфическую молекулярную структуру и, следовательно, производит химически определенные резонансы, которые могут быть обнаружены с помощью 1 Н-41 MRS. Приобретенный сигнал от объема мозга из впроцентно- генерируется из всех протонов, которые резонируют между 1 и 5 частей на миллион. Полученные нейрохимических веществ представлены на спектре и наносили на график как функцию от их химического сдвига с некоторыми четко различимых пиков, но там, где многие резонансы от различных нейрохимических веществ перекрываются. Интенсивность сигнала каждого пика пропорциональна концентрации neurometabolite 41. Сумма нейрохимических, которые могут быть количественно зависит от силы магнитного поля 42,43. Тем не менее, низкие концентрации метаболитов, которые являются скрытыми очень сильных резонансов, трудно количественно по более низкой напряженности поля, такие как 3 Т. Один из способов получения информации о таких перекрывающихся сигналов для удаления сильных резонансов через спектрального редактирования. Одним из таких методов является последовательностью MEGA-ПРЕСС, которая позволяет обнаруживать γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) сигналов 44,45.

Только несколько исследований изучали влияние ТОК наметаболизм мозга с помощью 1 H-MRS в моторных 34,46 и немоторных регионов 47. Stagg и сотрудники 34 оценивали эффекты а-ТОК, с-ТОК, и мнимого стимуляции на М1 метаболизма. Они обнаружили значительное снижение концентрации ГАМК следующую а-ТОК, и значительное снижение глутамата + глютамин (GLX) и ГАМК следующий с-ТОК. В другом исследовании, было сообщено, что количество изменений в концентрации ГАМК индуцированные-ТОК над M1 был связан с двигательной обучения 46.

Эти исследования подчеркивают потенциал объединения 1 H-MRS с ТОК увеличить наше понимание физиологического механизма, лежащего в основе эффекта ТОК на двигательной функции. Кроме того, использование клинических протоколов, таких как а-ТОК и С-ТОК над М1 полезно, потому что их поведенческие эффекты хорошо изучены и могут быть напрямую связаны с физиологическими результатов. Таким образом, это стандартный протокол для объединения двустороннего TDCS и 1 H-MRS демонстрируется в здоровых участников с помощью системы 3 Т МРТ. Bihemispheric ТОК представлена ​​противопоставлять данные с предыдущего исследования MRS где одностороннее катодная или односторонние анодной ТОК были применены более моторной коры 34. Данный протокол описывается специально для стимуляции стимулятора NeuroConn в Siemens 3 Т сканера, выполняющего MEGA-Пресс 1 H-MRS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Исследование было одобрено исследовательских и Сообщества Этики советов объединить де Neuroimagerie Fonctionnelle и Университета Монреаля и было сделано в соответствии с кодексом этики, как указано в декларации Хельсинки. Все субъекты дали письменное информированное согласие после тщательной проверки на совместимость МРТ и были финансово компенсированы за участие.

1. ТОК Материал

  1. Убедитесь, что все необходимые материалы имеются перед началом эксперимента (рисунок 1 для списка).
    Примечание: Различные размеры электродов доступны для ТОК. Для этого исследования, будут использованы два 5 х 7 см резиновые электроды. Другие размеры могут быть выбраны в зависимости от области стимуляции и желаемого очаговости стимуляции 48.
  2. Не забудьте проверить, что батареи в DC-стимулятора взимается и периодически заряжать их, так как устройство не может быть предъявлено обвинение или подключен в дюКольцо стимуляции по соображениям безопасности.

2. Планирование об условиях стимулирования

  1. Включите устройство ТОК в соответствии с инструкцией, прилагаемой к устройству. Предварительно установлено устройство ТОК для двух различных режимах стимуляции (активных и бутафорских).
  2. Поскольку некоторые устройства не имеют заранее поставленный режим, выберите соответствующие параметры фиктивные перед началом стимуляции.
    1. Предварительно определить набор параметров путем загрузки настроек. Нажмите кнопку 2 или 4, чтобы выбрать в главном меню опцию "Система" (рисунок 2).
    2. Подведите курсор к линии 2 на дисплее, нажав кнопку 3.
    3. Нажмите кнопку 2 или 4, пока "настройка нагрузки" не показывает на дисплее. Нажмите кнопку 3.
    4. Выберите букву обстановке (А, В, С или D), нажав на кнопку 2 или 4.
    5. Перемещение курсора вверх с помощью кнопки 1. дисплей автоматически покажет опцию «Параметры».
    6. Нажмите кнопку 1, чтобы вернуться к линии 3. Выберите "исчезать в" опции в меню экрана устройства, нажав на кнопку 2 или 4. Нажмите кнопку 3, чтобы перейти к строке 4, затем кнопками 2 и 4 регулировать длительность 15 сек.
      Примечание: Fade в длительности могут быть изменены.
    7. Нажмите кнопку 1, чтобы вернуться к линии 3. Выберите опцию "исчезать" из меню экрана устройства с помощью кнопок 2 или 4. Нажмите кнопку 3, чтобы перейти к строке 4, затем кнопками 2 и 4 регулировать длительность 15 сек.
      Примечание: Fade в длительности могут быть изменены.
    8. Нажмите кнопку 1, чтобы вернуться на линию 3. PresS кнопка 2 или 4, пока опция "продолжительность" не показывает в меню дисплея. Нажмите кнопку 3, чтобы перейти к строке 4 и нажмите кнопку 2 и 4, чтобы настроить длительность до минимальной продолжительности имеющегося на устройстве (15 с для данного устройства, см 3, б).
      Примечание: Это будет вызывать покалывание, похожий на активной стимуляции.
  3. Нажмите кнопки 1 и 3 одновременно, чтобы сохранить изменения в обстановке.
  4. Предварительная программа активные параметры стимуляции. Чтобы сделать это, выполните те же инструкции, как для установки стимуляции мнимого, но запрограммировать длительность до 1200 сек (20 мин; рис 3а).
  5. Предварительная программа параметры стимуляции тест. Чтобы сделать это, выполните те же инструкции, как для установки стимуляции мнимого, но запрограммировать длительность до 45 сек.
    Примечание: Тест стимуляции будет использоваться для измерения импеданса до начала экспериментов.
  6. Псевдо-Ранслучайном порядке назначить условия стимулирования участников.
  7. Назначение номера для каждого из трех условий для слепого эксперимента: 1) двусторонние: анодный правой катодная левой; 2) двусторонняя: анодный оставили, катодную право; 3) обман: анодный право, катодная слева.

3. Согласие Участников

  1. Сообщить участником процедуры и подписать форму согласия.
    1. Убедитесь, что участники не имеют противопоказаний к ТОК: психиатрическая или неврологические история, наличие кардиостимулятора, металлических имплантировали в череп, история обмороки, история изъятий, история токсикомании, семейной историей захвата, История лихорадочных приступов, отсутствие сна в предыдущем ночь, истории кожной чувствительности, и любой потребления алкоголя в предыдущий день.
    2. Сообщить участником самых сообщалось побочных эффектов ТОК: небольшое покалывание; умеренный усталость; свет ощущение зуда под электродами; незначительныйжжение.
  2. Сообщить участником обычных МР противопоказаний и побочных эффектов.

4. Измерения для электродов размещения

  1. Используйте 10/20 международной системы, чтобы найти следующие вехи на участника голове: Насьон и инион (рис 4а), преаурикулярного очков и две целевые области: C3 и C4 (4б).
    1. Найдите Насьон как отдельной зоне экономического расположенной на переносице на уровне между обоими глазами. Найдите ИНИОН в качестве наиболее заметного выступа затылочной кости, расположенной в нижней части черепа. Найдите преаурикулярного точку рядом каждом ухе; это выше скуловой паз углубление. Расположить C3 и C4, основанный на измерениях, как описано ниже.
  2. Используйте рулетку для измерения расстояния между Насьон и затылочного бугра вдоль средней линии головы и сделать отметку в 50% от расстояния остроумияха-непостоянный гидро маркер.
  3. Используйте рулетку для измерения расстояния между двумя преаурикулярного точек и сделать отметку с непостоянным гидро маркера в размере 50% от расстояния в соответствии с предыдущей отметки. Эта точка соответствует Cz (вершина).
  4. С Cz, вдоль линии, созданной между преаурикулярного пунктов, отмечают две точки, по одному с каждой стороны, с непостоянным гидро маркера, соответствующие 20% от общего расстояния. Эти знаки соответствуют целевым направлениям (С3 и С4, 4б).
    Примечание: Другие методы, такие как TMS или нейронавигации также может быть использован для локализации M1.

5. Размещение электродов

  1. Перемещение как много волос, как можно дальше от целевых областей, будет стимулироваться. Нанести пилинг гель ЭЭГ-типа с помощью ватного-тампоном очистить целевых областей.
  2. Очистите целевые области с 70% изопропилового спирта и пемзы готовит площадку для повышения электрода контакт.
  3. Щедро покрыть всю электрод с ЭЭГ-типа токопроводящей пасты. Убедитесь, что паста имеет толщину по всей поверхности приблизительно 5 мм. Убедитесь, что вся площадь резины покрыта пастой. Слегка смочить целевых областей и проводящую пасту на электродах с физиологическим раствором.
  4. Расположите электроды, как показано на рисунке 4б и нажмите электроды твердо на целевых районах. Поместите резиновую ленту вокруг головы участника, чтобы обеспечить оптимальную стабильность электродов. Регулировка его таким образом, что участник не будет испытывать никакой боли или дискомфорта во время сканирования сессии.
  5. Убедитесь, что провода не соприкасаются с кожей, чтобы избежать возможных ожогов.

6. ТОК Тест Вне Scanner номер

  1. С помощью мультиметра проверить надлежащее функционирование электрода кабеля и сопротивления.
  2. Включите устройство ТОК и загрузить настройки тест стимуляции. Нажмите кнопку 2 или 4, чтобы выбрать в главном меню опцию "Система". Подведите курсор к линии 2 на дисплее нажатием кнопки 3. Нажмите кнопку 2 или 4, пока "настройка нагрузки" не показывает на дисплее. Нажмите кнопку 3. Выберите букву запрограммированный обстановке тест (A, B, C или D), нажав на кнопку 2 или 4.
  3. Перемещение курсора вверх с помощью кнопки 1. дисплее автоматически будет показывать «параметры» вариант. На первой линии, нажмите кнопку 2. На дисплее появится надпись "стимуляции?" с различных заранее запрограммированных параметров.
  • Нажмите кнопку 1, чтобы начать стимуляцию. На дисплее будет отображаться уровень импеданса и автоматически остановится, если она достигает более 20 кОм. Если уровень импеданса составляет более 20 кОм, отсоединить электродных проволок из внутренней коробки и выйти из комнаты сканирования для проверки позиционирование электродов.
  • Повторить тест стимуляции. Когда хороший уровень impedanсе достигается и при стимуляции тест закончится, отключите электроды из внутренней коробки.
  • 7. ТОК установки

    1. Как показано на рисунке 5, поместить устройство ТОК и внешнюю коробку в контрольной сканер комнате.
      Примечание: Устройство ТОК и наружная коробка не совместимы MR и не должны быть приняты в окружающую среду магнита.
    2. Подключите внешние провода окно в устройство ТОК, а затем подключите кабель длиной окно во внешнюю коробку.
    3. Запустите окно кабель ТОК от диспетчерской сканера в комнату МРТ. Убедитесь, чтобы запустить этот кабель как можно более прямо, избегая любых перегибов или петель, вдоль стены комнаты МРТ по направлению к задней части сканера МРТ. Положите несколько МР совместимые мешки с песком на кабеле для обеспечения его стабильности, как показано на рисунке 5.
    4. Принесите внутреннюю коробку в комнату МРТ и подключите кабель длиной коробки в нее (рисунок 5).

    8. МРТ сканирования Preparation

    1. Попросите участников, чтобы войти в комнату МРТ, если не уже там из теста ТОК, и поставить в затычками для ушей.
    2. Поместите тонкую подушку под областью катушки стола МРТ. Попросите участников лечь на стол. Положите подушку под ноги участника для комфорта и одеяло, если это необходимо. Дайте участнику кнопку тревоги в целях безопасности.
    3. Положите отдельные наушники в течение обоих ушах, чтобы позволить передачу информации от управления сканером комнате к участнику в комнате МРТ.
    4. Расположите головку участника как можно выше под площадью, где глава катушка будет позиционироваться (верхняя часть головы как можно ближе к верхней части таблицы, где будут размещены катушка). Положите электродные провода по правой стороне головы участника, в соответствии с рекомендациями устройства компании ТОК.
    5. Поместите 32-канальный приемо-только катушку вокруг головы участника. Запустите электродные кабели черезправая сторона катушки. Расположите головку участника как можно более прямо с помощью лазера красный позиционирования (встроенную функцию сканера).
    6. Попросите участника двигаться руки и ноги в удобном положении, а убедившись, что руки не касаются. Убедитесь, чтобы напомнить участника остаться как можно более неподвижно в течение всего сеанса. Когда участник готов, перемещать стол мимо средней линии, чтобы достичь электродных проволок на задней панели сканера.
    7. С помощью медицинской ленты для стабилизации кабеля электрода на правой стороне задней части катушки. Подключите электродные провода, расположенные внутри сканера в внутренней коробке ТОК. Положите внутреннюю коробку на правой боковой панели сканера с песком на нем для максимальной стабильности.
    8. Перемещение стола обратно в свою окончательную позицию. Держите ТОК включен и электроды подключены к внешней коробки для всей сессии МРТ.

    9. Предварительная ТОК 1 H-MRS сессия

    Запустите последовательность радиомаяка приобрести изображения, необходимые для проверки правильности позиционирование головки и сравнить со вторым радиомаяка, который будет приобретенного в конце сессии, чтобы проверить общее движение.
  • Приобретение анатомические Т 1 -weighted MPRAGE изображения для позиционирования воксела и обнаружения возможных структурных аномалий M1 (T R = 2300 мс; T E = 2,91 мсек; FA: 9 °; FOV = 256 х 256 мм; 256 х 256 матрица ; T I: 900 мс; 176 ломтиками; ориентация: сагиттальной; время приема: 4 мин 12 сек).
  • Выполнение нескольких планировщик реконструкцию изображений с в плоскостях, которые более подходят для визуализации спектроскопии объем интересов, (ВОИ).
    1. В 3D-карты, просмотреть MPRAGE необработанных изображений (сагиттальной ориентации). Из окна "Создание параллельных хребтов" выберите "осевое 2х2". Отрегулируйте положение параллельных линий и нажмите на кнопку Сохранить, чтобы создать осевую ортогонального вид.
    2. Из окна "Создание параллельных хребтов" выберите "корональной 2х2". Отрегулируйте положение параллельных линий и нажмите "сохранить", чтобы создать короны ортогонального вид.
  • Найдите левый M1 на основе Yousry и коллаборационисты 49 анатомические ориентиры на трех ломтиков ориентации. Затем расположите ВОИ (30 х 30 х 30 мм 3) на площади без каких-либо угловая конструкция относительно оси сканера (рис 6).
  • Приобретать линия ширины сканирования (21 сек).
    1. Выберите спектроскопии карту для измерения воды ширины линии на реальной части сигнала от этой линии, ширина сканирования. Загрузите исходные данные ширины линии из браузера. Загрузите протокол измерения ширины линии (меню протоколы: выберите протокол).
    2. Регулировка фазы с помощью программного обеспечения сканера интерактивные инструменты пост-обработки. Выберите коррекции раздел фаз и регулировки фазы для базового уровня с курсором.
    3. Для того, чтобы уменьшить ширины линии,Запустите быстро (EST) Карта 50 последовательность три раза. Повторите линии ширины сканирования и линии ширины измерения (шаг 9.5). Примечание окончательный воды ширины линии.
  • Начните 4 блока 64 метаболитов сканирования (32 "EDIT OFF" и 32 "Изменить на", с чередованием) с последовательностью МЕГА-ПРЕСС 44,45, где ПАРА 51, OVS 51 и индивидуальный хранение FIDS разрешены (T R = 3 S, T E = 68 мс, общее время сбора: 12 минут)
  • Приобретать ссылку воды, используя последовательность МЕГА-ПРЕСС без MEGA подавления воды, с подавлением ПАРА ("только РФ от") и с измерением дельта при 0 промилле. Приобретать единый блок из 4 метаболитов сканирования вместо 64 (время приема: 42 сек).
  • Процедура 10. ТОК

    1. Сообщить участника, что стимуляция ТОК начнет и что сканер будет молчать в течение всего стимуляции.
    2. Выберите один из двух ранее прогпротаранил параметры в зависимости от состояния и начать стимуляцию. Следите за сопротивления и напряжения в течение 20 мин стимуляции. Когда стимуляция закончилась, уведомить участника, что после ТОК MRS сессия начнется. Не выключайте устройство ТОК.

    11. После ТОК 1 H-MRS сессия

    1. Выполните те же метаболитов сканирование с последовательностью МЕГА-ПРЕСС, как пре-ТОК сканирования, но двойных блоков приобретения (8 блоков по 64 сканирований (32 "EDIT OFF" и 32 "Изменить на", с чередованием)) приобрести метаболитов в два другое время указывает пост-ТОК.
    2. Как и в случае предварительно сессии ТОК, приобретают опорный вода сканирование с теми же параметрами. Закончить сеанс с последовательностью курсового радиомаяка.
    3. Визуально сравнить локализатор изображения, полученные в начале и в конце сеанса сканирования как показатель движения головы.
    4. Доступ к смарт-карту и перейдите в меню браузера. Выберите первый и второй локальныйIzer необработанных изображений. Загрузите изображения в смотровой карты и сравнить оба изображения. Экспорт данных в формате DICOM через сервер.

    12. Анализ 1 H-MRS данных

    1. Импорт данных с помощью программирования и обработки программного обеспечения, а также регулировать частоту и фазу индивидуально хранимых FIDS использованием TCR и тчо сигнал между 2,85 и 3,40 частей на миллион. Чтобы сделать это, используйте функцию lsqnonlin программного обеспечения, чтобы соответствовать частоты и фазы каждого отдельного Фурье-трансформированных FIDS (спектров) к среднему спектров сессии.
      Примечание: это подход конкретного участка и другие методы для импорта и анализа данных, не обязательно влияет на качество данных.
    2. Для получения окончательного спектров, вычитание сигналов от альтернативных сканирований с селективными импульсами двойных диапазонов, которые были применены в 4,7 промилле и 7,5 промилле ("Редактировать OFF") и на 1,9 промилле и 4,7 промилле ("EDIT ON") (Рисунок 7 ).
    3. Используйте LCModel 52для анализа как разность и "ПРАВКА OFF" спектров. Отключить моделирования по умолчанию и базовой моделирования.
    4. Провести осмотр спектров исключить занятия с загрязнением от подлопаточной сигнала липидов (см F igure 9).
    5. В рамках контроля качества, исключить спектры с шириной линии ТКР CH 3 выше 10 Гц. Только включить в анализ метаболитов (ГАМК, GLX, TCR, tNAA), которые были определены количественно с Крамера-Рао нижних границ (CRLB) ниже, чем 35%.
      Примечание: CRLB оценки приблизительного ошибку метаболита количественного. CRLB> 50% не является надежным и является рекомендуемым отсечки по LCModel руководстве. Многие в области использовали CRLB ниже 35% в качестве стандарта. 53-55 Кроме того, CRLB следует иметь в виду при интерпретации результатов.
    6. Получить ГАМК и GLX количественными от «сравнения» спектров, TCR от "редактировать OFF" спектров, и tNAA как от "Edit OFF" и "; DIFF "Экспресс концентрации различных метаболитов, представляющих интерес в качестве коэффициентов более TCR Для ГАМК и GLX, умножить коэффициент по следующей группе усредненный поправочный коэффициент для учета различного набора Основой для числитель и знаменатель (tNAA от.." EDIT OFF "Спектры / tNAA от« сравнения »спектров).
      Примечание: Примечание: концентрации ГАМК и Glx также может быть определена количественно с помощью воды или NAA сигнал.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Рисунок 6 показывает положение ВОИ, расположенный на представлении рукой в М1, где были приняты все меры, MRS. В фигурном 6D, 3D визуализация показывает ясное представление о электродов ТОК расположенных на коже головы над предполагаемой первичной моторной коры. На рисунке 7 показана представителя "EDIT OFF" и разница ("DIFF") Спектры, получаемые в M1. Пики, соответствующие GLX, ГАМК + MM, а также NAA хорошо видно.

    На рисунке 8 показан процент изменения между приобретением MRS предварительных ТОК и пост-ТОК для трех различных условиях в одном из участников. Результаты сессии после ТОК разделены на две временные точки, чтобы проиллюстрировать эволюцию изменения во времени. Рисунок 8а показан процент изменения для GLX. Для симуляции стимуляции, Glx концентрации дисплеи не отличаются модуляции. Для двустороннего stimuтельства 1 (слева анодной, прямо катодная), снова не отметить, модуляция GLX не наблюдается; Однако, модуляция концентрации с течением времени противоположно тому, что наблюдается в стимуляции мнимого. Наконец, что касается двустороннего стимуляции 2 (левый катодная, прямо анодной), аналогичная картина наблюдается в стимуляции мнимого, но с заметным усилением концентрации GLX во второй момент времени после стимуляции.

    Рисунок 8b показан процент изменения концентрации ГАМК в отношении состояния стимуляции. Для стимуляции мнимого, ГАМК концентрации дисплеи не отличаются модуляции. Тем не менее, небольшое снижение наблюдается в обеих временных точках. Модуляция ГАМК после стимуляции мнимого является более важным, чем для GLX ,. В отличие от этого, заметное увеличение концентрации GABA видно на второй момент времени после стимуляции двустороннего 1 (левая анода, катода правой). Наконец, аналогичный характер измененийдля стимуляции мнимого наблюдается двустороннего стимуляции 2 (слева катода, прямо анод).

    На рисунке 9 показана получены спектры с двумя различными участниками. Рисунок 9а показан спектр хорошего качества с сигналом приемлемых липидов. 9, б показан спектр с большими липидов сигналов, которые были исключены после визуального осмотра. Наконец, фигура 10 показывает смещение расположения воксела интереса следующей 5 мм движения участника.

    Рисунок 1
    Рисунок 1: Материалы. 1) физиологический раствор; 2) проводящей пасты; 3) Электрод гель; 4) Алкоголь готовит площадку; 5) Рулетка; 6) карандаш ЭЭГ; 7) Резинки; 8) Внутренняя коробка; 9) ТОК устройство; 10) наружная коробка; 11) Внутренняя кабельного; 12) Внешний кабельного; 13) Электроды; 14) Длинный кабель окно


    Рисунок 2: ТОК устройство Изображение позиционирования кнопок на устройстве конкретные ТОК, используемого в настоящем протоколе. Эти кнопки используются для заранее поставить разные настройки.

    Рисунок 3
    Рисунок 3: Время курс условиях ТОК. ) Временной ход активного состояния ТОК. После приобретения метаболита предварительно ТОК, не включить устройство ТОК и разгона текущего на 15 сек, пока интенсивностью 1 мА. Стимулируют в течение 20 мин и замедления тока в течение 15 сек до интенсивностью 0 мА. Не выключайте устройство ТОК и приступить к приобретению метаболита после стимуляции. Б) Временной ход условии фиктивным ТОК. После предварительной ТОК приобретения метаболита, TURн на устройстве ТОК и разгона текущего на 15 сек до интенсивностью 1 мА получается. не стимулировать на 15 сек (минимальное время доступны на текущем устройстве) и замедления тока в течение 15 сек, пока интенсивностью 0 мА. Подождите в течение 20 мин. Не выключайте устройство ТОК и приступить к приобретению метаболита после стимуляции.

    Рисунок 4
    Рисунок 4: Электрод позиционирование) 10/20 международные ориентиры системы, используемые для идентификации С3 и С4. Вершина (Cz) соответствует 50% от расстояния между Насьон и затылочного бугра, и 50% от расстояния между двумя точками преаурикулярного. Б) C3 и C4 соответствуют 20% от общего расстояния между точками преаурикулярного, измеренной от точки вершины. Не забудьте оставить по крайней мере, 8 см расстояния между двумя электродами.


    Рисунок 5: Схематическое изображение МР комнате. Размещение материалов в MR сканирования и консольных номеров. Важно следовать протокол для позиционирования различных частей устройства для получения МР-сигнал хорошего качества и в целях безопасности.

    Рисунок 6
    Рисунок 6: размещение ВОИ. Положение ВОИ (30 х 30 х 30 мм 3) над левой руки М1 в (а) сагиттальной, (б) корональной, и (с) аксиальных срезов. 3D визуализация позиционировании электродов показан на (D).

    Рисунок 7
    На рисунке 7: 1 H-MRS метаболит Спектргм. Представитель () "РЕД OFF" и (B) разница ("DIFF") Спектры, получаемые в последовательности МЕГА-ПРЕСС 44,45 числе исходных данных, в припадке от LCModel и остатков. Cr: общая креатин (креатин + фосфокреатин (Cr-CH 3 + ПЦР-CH 3)); НАА: N-ацетил-аспартат + NAAG (СНАА + NAAG); Glx: глутамат + глютамин (Glu + Глн); ГАМК + ММ: γ-аминомасляной кислоты + макромолекулы

    Рисунок 8
    Рисунок 8: Последствия двусторонних ТОК на GLX и ГАМК для одного субъекта. ) ТОК воздействие на концентрации GLX показаны для трех условий. Результаты выражены как процент изменения между приобретением предварительно ТОК и двух поглощений пост стимуляции. B) ТОК воздействие на концентрации ГАМК показаны для трех условий. Результаты выражены в процентах от чаНге между приобретением предварительно ТОК и двух приобретений после стимуляции. Шам: Двусторонняя, Двустороннее 1: левая анод, прямо катод; Двустороннее 2: левая катод, прямо анод

    Рисунок 9
    Рисунок 9: Визуальный осмотр спектров А) пример хорошего качества данных. На рисунке показана "EDIT OFF" и "DIFF" спектры с приемлемым количеством липидов. SNR от анализа «сравнения» спектров: 56 CRLB сигнала ГАМК: 14% Lw ТКР-CH 3 на 3 промилле: 5,6 Гц. B) Пример бедной качественных данных, вызванных чрезмерным движением участника. На рисунке показана "EDIT OFF" и "DIFF" спектров. SNR от анализа «сравнения» спектров: 39 CRLB сигнала ГАМК: 47% Lw ТКР-CH 3 на 3 промилле: 4.4 Гц


    Рисунок 10: ВОИ расположение после перемещения позиции на ВОИ (30 х 30 х 30 мм) в течение 3 левой руки М1 в (А) в сагиттальной и (б) корональных срезов после перемещения 5 мм. Включение черепных костей и мозговых оболочек в поле приведет к включению липидов и ликвидации сканирования. Светло-серый квадрат показывает начальное положение ВОИ.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Настоящая работа направлена, чтобы описать стандартный протокол для объединения ТОК и 1 Н-MRS с использованием 3 T сканер. В следующем разделе будут рассмотрены методологические факторы.

    Критические Шаги
    Противопоказания Скрининг
    До эксперимента, это имеет решающее значение для участников экрана для любого противопоказания относительно использования ТОК и 1 Н-MRS. Использование следующих критериев исключения рекомендуется для ТОК: психиатрическое или неврологическое историю, наличие кардиостимулятора, кусок металла имплантировали в череп, история обмороки, судороги или истории злоупотребления психоактивными веществами. Потому что только метаболиты от левого М1 будут приобретены, исключение левшей участников из исследования рекомендуется. На самом деле, недавнее исследование показало, дифференциальный межполушарную ингибирование между доминирующими и недоминантных полушарий в зависимости от предпочтений руки, Которые могут модулировать эффект стимуляции 15. Кроме того, перед началом эксперимента, проверьте, нет ли повреждения на коже головы и попросить какого-либо заболевания кожи 56. Если есть поражение присутствует, старайтесь избегать стимуляции непосредственно на пораженный участок. Кроме того, рекомендуется, чтобы осмотреть кожу после стимуляции 57. Кроме того, экран на наличие аллергии на любой из продуктов, используемых для электродов монтажа. В течение 1 ч-MRS, Критерии исключения должны быть такими же, как и для любого магнитного исследовании резонансной томографии в том числе тщательном скрининге любых предшествующих операций на присутствие металла в организме.

    Важно также, чтобы определить, является ли участником чувствовал никакого дискомфорта во время стимуляции ТОК. Опять же, после эксперимента, участник должен быть вопрос о каких-либо побочных эффектов. Можно использовать рекордное-форму, включая самых побочные эффекты количественно свое присутствие по отношению к протоколу (см 58 дляпример). Наиболее побочные эффекты являются небольшое покалывание (70,6%), умеренная усталость (35,3%), легкий ощущение зуда под электродами (30,4%), и небольшое жжение (21,6%) 58.

    Движение Снижение Артефакты

    Движение участника сканера является основным вопросом во время 1 H-MRS как это является одним из основных факторов, влияющих на качество данных 59. Как показано на фигуре 10, движение объекта (от 1 мм до 5 мм) может привести к большой липидов сигнала в спектре, таким образом, изменяя качество данных и, следовательно, к исключению данного приобретения из данных. Таким образом, крайне важно, чтобы тщательно объяснить участника важность стабильности головы во время всего сканирования. Во время позиционирования участника сканера, важно спросить тему, чтобы найти наиболее удобное положение, чтобы избежать каких-либо дальнейшее движение. Дурчисле позиционирования ВОИ, важно также, чтобы уведомить участника, что даже при том, что сканирование молчит, важно, чтобы оставаться на месте.

    Кроме того, продолжительность эксперимента является важным фактором, чтобы помочь свести к минимуму общее количество движения. Во-первых, важно использовать оптимальную длину для анатомической последовательности, как можно короче, но достаточно долго, чтобы получить хорошее качество изображения для размещения ВОИ. Во-вторых, использование короткой последовательности приобретения метаболита рекомендуется перед ТОК. В-третьих, с целью захвата временной ход эффектов стимуляции, использование более длинной последовательности приобретения после стимуляции рекомендуется. В-четвертых, сравнить до и после эксперимента локализатор изображения оценить движение участника.

    Анализ
    Последовательность МЕГА-ПРЕСС 44,45 используется для получения локализованной, вода подавлено, и редактировать спектры. Пространственная локализация в прессе проводится с помощью 906; Хэмминга фильтруют синхроимпульс (полоса пропускания время продукт = 8,75, продолжительность = 2,12 мс, пропускная способность (FWHM) = 4,2 кГц) и два 180 ° МАО импульсы (продолжительность = 5,25 мс, пропускная способность = 1,2 кГц). Все импульсы локализации выполнены на 3 промилле. Селективный дважды объединились 180 ° Shinnar-Ле Ру импульс подается на 1,9, резонансную частоту β-CH 2 ГАМК, и 4,7 промилле, чередующиеся с 7,5 и 4,7 промилле. Дополнительная подавление воды с помощью переменной мощности с оптимизированными задержками релаксации (пар) и внешней подавления громкости, OVS 50 были адаптированы для человеческого 3 T системы и включены до МЕГА-ПРЕСС и используются для подавления воду и улучшить локализацию ВОИ. Когда селективный импульс подается на 1,9 частей на миллион, резонанс на 1,9 частей на миллион и резонансы в пределах ширины полосы импульса инвертируются вызывая переориентацию γ-CH 2 резонанса ГАМК ("Изменить на"). Когда селективный импульс подается на 7,5 частей на миллион, обычно сpectrum при Т Е 68 мс получается ("EDIT OFF") с γ-CH 2 резонанса ГАМК фазы модулированного. Вычитание сигналов от альтернативных сканирует приводит к селективному наблюдения внешних линий ГАМК тройки и отмене общего креатина (креатин + креатинфосфата) резонанса («сравнения»). Из-за пропускной способности инверсии импульса, дополнительные резонансы NAA, Glu + Gln, и макромолекул также наблюдалось. Весь протокол разделен на четыре перемеженных поглощений и частота обновлен перед каждой отдельной сканирования, чтобы свести к минимуму отклонений по частоте за счет аппаратных средств. Перемеженный приобретение и один для хранения FID позволяет коррекцию частоты и фазы в пост-обработке.

    Метод анализа описаны в протоколе позволяет рассчитать лучшей подгонки к экспериментальным спектром в качестве линейной комбинации спектров модели. Спектры Модель в базисе для"РЕД OFF" спектры были смоделированы на основе формализме матрицы плотности 59 и известно химические сдвиги и J муфты 60, и включали в себя: ацетил фрагмента N -acetylaspartate (СНАА), аланин (Ala), аскорбиновая кислота (ASC), аспартат (Asp ), аспартат фрагмент НАА (mNAA), CH 2 группа Cr (Cr-CH 2), CH 3 группа Cr (Cr-CH 2), CH 2 группа ПЦР (ПЦР-CH 2), CH 3 группа ПЦР (ПЦР-CH 2), ГАМК, глюкозы (КЗС), Glu, Gln, glycerophosphorylcholine (GPC), глицин (Gly), глутатион (GSH), лактат (Lac), мио -inositol (MI), N -acetylaspartylglutamate ( NAAG), фосфорилхолин (PCHO), phosphorylethanolamine (PE), scyllo -inositol (Si), и таурин.

    Основой установки для «сравнения» спектров, полученные от экспериментально измеренного спектров четырех 100 решений мм НАА, ГАМК, Glu и Gln (600 мл сферическая стеклянная Flasks) с теми же параметрами и сканер как для экспериментов в естественных условиях. Каждый раствор дополнительно содержит K 2 HPO 4 (72 мм), KH 2 PO 4 (28 мм), азид натрия (0,1 мм), 3- (триметилсилил) -1-пропансульфоновой кислоты натриевой соли (TSP; 2 мм), формиат ( 200 мм; по желанию) и дистиллированную воду. Спектры набор базисных были приобретены на физиологическом температуре 37 ° C и было сделано все возможное, чтобы свести к минимуму охлаждения (~ 1 ° C в 15 приобретения) путем предварительного нагрева фантомов в большой резервуар для воды до размещения каждого из них в меньшем воды наполнением изолированы пластиковый контейнер, который был размещен в катушке. Температура и рН особенно важны в спектроскопии, так как они влияют на химический сдвиг метаболитов. Кроме того, для обоих "EDIT OFF» и «сравнения» спектров, базисы включал метаболит-обнуляются макромолекулярный спектр экспериментально измеренного от 10 субъектов из затылочной коры, используяИнверсия-восстановление (время инверсии, T I = 760 мс) техника с теми же параметрами, что и регулярный приобретения МЕГА-ПРЕСС 61 (для T R = 2,7 сек, за исключением).

    Phantom Тестирование
    Тестирование процедуру на 100 мм ГАМК фантома с и без стимулятора ТОК, который будет использоваться на участников с точными сканера и последовательности параметров настоятельно рекомендуется перед первым участником изучается. Эта процедура должна включать последовательность радиомаяка, анатомическую последовательность (т.е. MPRAGE), линию ширины сканирования и 16 "Изменить на», «Редактор OFF" сканирование. Это следует повторить, если стимулятор, параметры стимуляции или сканеры меняются. Для того чтобы исследовать наличие артефактов на сигнал, следует рассмотреть спектры изменений в SNR с и без тренажера ТОК, наличие шипов и шума на определенных частотах, и значения SNR и любой важный артефакт от анатомической IMAГЭС.

    Возможные Модификации Протокола
    1 H-MRS Параметры
    Чтобы получить метаболитов концентрации с помощью 1H-MRS, необходимо, чтобы локализовать конкретный регион и возбуждают сигналы в этом объеме 35. В настоящей работе, порядок размещения одной ВОИ над левой M1 был описан. Тем не менее, множество различных модификаций этого протокола могут быть применены. Успешное измерение концентраций метаболитов были продемонстрированы в различных корковых и подкорковых областях, таких как префронтальной коре 62, гиппокамп 63, мозжечок полосатое тело и Понс 64, зрительной коры 66, и слуховую кору 67. Размер ВОИ может также отличаться в зависимости от области, представляющей интерес, но объем обычно находится в интервале между 3 и 27 см 3 68. Тем не менее, трудно получить концентрацию низкой концентрации метаболитов SUCч как ГАМК из вокселей меньше 20 см 3. Важным вопросом является, чтобы убедиться, чтобы избежать любого контакта ВОИ с костей черепа, мозговых оболочек, и экстра-мозговой спинномозговой жидкости. В небольших мозгов, ВОИ могут включать часть левого бокового желудочка. В этом случае, включение желудочка является более предпочтительным, чем включение костей черепа.

    Кроме того, в зависимости от выбранной последовательности сбора данных, различные метаболиты могут быть определены количественно 69. Предыдущие методы, такие, как Point-RE-решенный спектроскопии (ПРЕСС) последовательности 70 и вынужденного эхо режим регистрации (пара) 71, не позволяют количественно оценить ГАМК на 1,5 Т. Однако, из-за полярности конкретных эффекта ТОК на корковых возбудимость, количественная оценка как возбуждающих (глутамата) и тормозных (ГАМК) нейротрансмиттеров является существенным. В настоящем протоколе, использование последовательности МЕГА-ПРЕСС спектральный редактирования 44,45 было показано, Который позволяет оценить количественно основных нейрохимических, в том числе ГАМК (рисунок 6). Другие последовательности, позволяющие ГАМК количественное, такие как ультра-короткие ТЕ MRS и J -resolved MRS, были разработаны в течение последних нескольких лет (см 41 для рассмотрения).

    Наконец, так как метаболит концентрации, как правило, выражается как отношение по отношению к другим метаболита (относительной концентрации), выбор опорного метаболита является очень важным, так и, в частности, в клинические исследования с использованием популяции 69. Наиболее часто используемые справочные метаболиты TCR и НАА, как их концентрации находятся в относительно стабильной в человеческом мозге. Следует отметить, что можно также использовать абсолютный количественный анализ метаболитов, который требует, чтобы ссылки либо на внешний (например, пунктиром) или внутренний сигнал (например, сигнал вода) 68. Использование внутреннего стандарта воды требуется дополнительнаяшаг коррекции тканей, так как концентрация воды и релаксационные свойства отличаются между серым веществом, белого вещества и спинномозговой жидкости (ликвора). 72 Коррекция ткань может быть выполнена с использованием оценочной состав тканей в ВОИ всех участников или с использованием состава конкретного субъекта ткани от сегментации 73. Кроме того, следует отметить, что ТОК несет теоретический риск отека индуцирующего, что может иметь незначительное воздействие на концентрации воды. Тем не менее, ниче и сотрудники 74 непосредственно оценивать эту конкретную озабоченность и не показали никаких признаков отека следующий ТОК на лобной коры. Следовательно, использование ссылкой воды считается приемлемым вариантом.

    ТОК Параметры
    Различные электроды размеры могут быть использованы 9 в зависимости от региона стимуляции и желаемого очаговости стимуляции 75,76. Да Силва и сотрудники 56 1 H-MRS является полезным методом, который может быть использован для проверки основные механизмы действия конкретных ТОК протоколов, которые были показаны для улучшения симптомов в различных клинических групп. Электрод позиционирование и продолжительность стимуляции может быть изменен, чтобы исследовать влияние этих конкретных протоколов ТОК, например, тех, что используется в лечении боли, депрессия, шум в ушах, Паркинсона, мигрени, и злоупотребление алкоголем (см 77 для описания протоколов ). Следует также отметить, что если уровень импеданс выше 20 кОм, устройство не будет стимулировать и отображать сообщение об ошибке импеданса на экране. Различные факторы, которые могут вызвать высокий импеданс, включают: 1) недостаточное количество проводящей пасты на электродах; 2) недостаточное давление на электродах; 3) плохо соntact с волосистой части головы, вызванные (волос); 4) утолщение кожи головы из-за облысения; 5) проблемы с соединениями; 6) проблемы с проводкой; (7) проблемы с стимулятора; и 8) проблемы с электродами.

    Следует также отметить, что локализация первичной моторной коре на ТОК может быть более точным. В настоящем протоколе, система 10/20 ЭЭГ используется, что может ввести небольшое смещение между максимальной электрической проекции поля и фактического представления M1 в прецентральной извилины. Один из возможных способов обойти эту проблему заключается в использовании транскраниальной магнитной стимуляции, чтобы точно локализовать представление рук в М1 через TMS-индуцированных мышечной реакции. Наличие блока ТМС в непосредственной близости от МР-томографа может ограничить эту возможность.

    Безопасность ТОК и 1 H-MRS
    Безопасность ТОК
    Многочисленные исследования показали, что ТОК являетсябезопасным методом нейромодуляция производить лишь незначительные негативные последствия в обоих доклинических и клинических групп 10. На самом деле, ни одного случая эпилепсии никогда не сообщалось следующее ТОК 10. Тем не менее, безопасность ТОК до сих пор не исследованы у детей и беременных женщин 78.

    MR Совместимые материалы
    Следует соблюдать осторожность при стимуляции внутри МР-томографа. Все, что приносится в MR комнате должно быть МР совместимости (рисунок 1). Из-за возможного взаимодействия между электрическим током производимого ТОК и МР-томографа, ТОК всегда должен быть включен, и электроды должны оставаться подключенным, во время МРТ последовательностей, описанных в настоящем протоколе. Намотки провода под головной катушки могут производить артефакты и искажения в сигнал. Кроме того, неправильное подключение проводов может потенциально производить ток достаточно силен, чтобы сжечь участника <SUP> 79. Наконец, важно, чтобы никогда не отключать электроды в то время как ток, протекающий как это может вызвать нежелательную стимуляцию высокого напряжения.

    ТОК-MRS Техника
    Использование ТОК совместно с MRS дает возможность лучше понять механизм, лежащий в основе модуляции активности мозга с этой относительно новой техники нейромодуляция. Тем не менее, некоторые ограничения этого метода должна быть решена. Во-первых, электроды, используемые в ТОК, как правило, достаточно большой и эффекты стимуляции, как полагают, охватывают широкий пространственный масштаб мозговой ткани. В сочетании с тем фактом, что приобретение MRS будет ограничен небольшим воксела интереса, ТОК-MRS позволяет только для оценки пространственно ограниченных эффектов, несмотря на предполагаемой широкого модуляции возбудимости головного мозга. Один из возможных способов, чтобы обойти эту проблему, состоит в использовании нескольких вокселей, представляющие интерес, распределенных по всему мозгу. Тем не менее, это будет сигственно увеличить продолжительность экспериментальной сессии, которая уже является главным ограничением настоящего техники. В самом деле, при рассмотрении подготовки участников, предварительно ТОК MRS, ТОК вмешательство и пост-ТОК MRS, полный сеанс может легко длиться до двух часов. Продолжительность может также увеличить при желании, чтобы отобразить временной ход ТОК воздействия на концентрацию метаболита.

    Важным вопросом, связанным с продолжительности эксперимента является возможность того, что электрод сопротивление будет возрастать после одного участника в сканер. Поскольку ТОК может легко начать более, что через 45 минут после размещения электрода, существует риск того, что стимулирующие электроды будут постепенно теряет присоединению к коже головы участника, если пасту приложение не является оптимальным, и электроды не провела достаточно плотно. Если сопротивление достигает более 20 кОм, стимуляция будет невозможно, и участник должны быть удалены из сканера, чтобы решить эту проблему. Так-гое описанная процедура включает в себя сканирование нескольких из той же области до и после ТОК, удаление участника от сканера может создать важный смещение вокселе интереса. Поэтому очень важно, чтобы проверить сопротивление непосредственно перед сканированием и проявлять большую осторожность при установке электродов.

    Теоретически, текущий поток ТОК может вызывать артефакты в МР сигнала. Антал и сотрудники 80 исследовал этот конкретный озабоченность по измерению воздействия различных ТОК условиях (с учетом и без электродов, с и без стимуляции, и т.д.) на качество функциональной магнитно-резонансной изображений. Однако, насколько нам известно, наличие артефактов в сигнале спектроскопии в связи с наличием устройства ТОК в сканере еще должны быть оценены.

    Наконец, следует позаботиться в отношении резисторов в электродных кабелей. Поле MR может повредить резисторы, таким образом preventinг стимуляция. В качестве меры предосторожности, сопротивление должно быть испытаны вне среды сканера перед каждым MRS сессии. Кроме того, сопротивление более 20 кОм может привести к реакции кожи и высоким импедансом может отражать зарождающийся или актуальную проблему с стимулятора. Таким образом, стимулятор должны быть тщательно проверены, прежде чем каждый участник и сопротивления уровнях проверенных вне комнаты сканера перед каждым MRS сессии.

    Комбинированные ТОК и 1 H-MRS является мощным инструментом, который обеспечивает количественную меру влияния используемых в клинике лечения на метаболизм головного мозга. Как физиологический механизм ТОК эффектов еще недостаточно изучена, существует необходимость для мультимодальных подходов, которые могут пролить свет на эти процессы. С недавним всплеском интереса к ТОК в качестве клинического инструмента для патологий, таких как инсульт 27,30,31 и депрессии 81, очевидно, что сочетание ТОК с MRS может быть важныминструментом для лучшего понимания терапевтические эффекты ТОК. Кроме того, ТОК-MRS может служить ранним инструмент для определения, какие пациенты имеют больше шансов на клинически реагировать на ТОК. Если такой маркер найден, ТОК-MRS может быть использован в качестве скринингового до поступления пациентов в ТОК вмешательства.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Авторы не имеют ничего раскрывать.

    Acknowledgments

    Это работает при поддержке грантов от Канадского института исследований в области здравоохранения и естественных наук и инженерного исследовательского совета Канады. ST поддержали стипендию Ванье Канада Высшей от Канадского института исследований в области здравоохранения. ММ отмечает поддержку от исследовательского центра биотехнологии (Белтелерадиокомпании) грант P41 RR008079 и P41 EB015894 (NIBIB), и NCC P30 NS076408.

    Мы хотели бы выразить признательность Romain Valabrègue (Centre де NeuroImagerie по исследованиям - CENIR, Париж, Франция) и Брайс Tiret (центр Recherche де l'Institut Universiatire де Gériatrie (CRIUGM), Монреаль, Канада; комиссариат à l'énergie Atomique др Окс энергий альтернативы (РЭА), Париж, Франция) за разработку инструментов для обработки, и Эдвард Дж Ауэрбах (центр для магнитно-резонансной исследований и отделения радиологии, Университет Миннесоты, США). Разработаны МЕГА-ПРЕСС и FASTESTMAP последовательностиЭдвард Дж Ауэрбаха и Малгожата Marjańska и были предоставлены в Университете Миннесоты по договору C2P.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    DC-stimulator plus NeuroConn 30DCS01E MR compatible device
    NuPrep preparation gel Weaver and Co. #10-61
    Ten20 conductive paste Weaver and Co. #10-20-4
    Electrode prepping pad Grass technologies MD0017 70% isopropyl alcohol and pumice
    Saline solution Local drugstore sample 0.9% sodium chloride
    Non permanent hydro-marker Sharpie SHPE20WH
    SYNGO MR VB17 Siemens AG MRI software
    MAGNETOM Trio A Tim System Siemens AG MRI scanner version
    Matlab 2013a (Version 8.1) MathWorks Inc processing and analysis software
    LCModel 6.3 LC MODEL inc see: s-provencher.com

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Kellaway, P. The part played by electric fish in the early history of bioelectricity and electrotherapy. Bull. Hist. Med. 20, (2), 112-137 (1946).
    2. Brunoni, A. R., et al. Clinical research with transcranial direct current stimulation (tDCS): Challenges and future directions. Brain Stim. 5, (3), 175-195 (2011).
    3. Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr. Opin. Neurol. 24, (6), 590-596 (2011).
    4. Boggio, P. S., et al. Repeated sessions of noninvasive brain DC stimulation is associated with motor function improvement in stroke patients. Restor. Neurol. Neuros. 25, (2), 123-129 (2007).
    5. Boggio, P. S., et al. Prefrontal cortex modulation using transcranial DC stimulation reduces alcohol craving: a double-blind, sham-controlled study. Drug Alcohol. Depend. 92, (1-3), 55-60 (2008).
    6. Fregni, F., et al. A sham-controlled, phase II trial of transcranial direct current stimulation for the treatment of central pain in traumatic spinal cord injury. Pain. 122, (1-2), 197-209 (2006).
    7. Fusco, A., et al. The ABC of tDCS: Effects of Anodal, Bilateral and Cathodal Montages of Transcranial Direct Current Stimulation in Patients with Stroke-A Pilot Study. Stroke Res. Treat. 837595 (2013).
    8. Nitsche, M. A., et al. Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation--technical, safety and functional aspects. Suppl. Clin. Neurophysiol. 56, 255-276 (2003).
    9. 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, (4), 845-850 (2006).
    10. Poreisz, C., Boros, K., Antal, A., Paulus, W. Safety aspects of transcranial direct current stimulation concerning healthy subjects and patients. Brain Res. Bull. 72, (4-6), 208-214 (2007).
    11. Nitsche, M. A., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J. Physiol. 527 Pt 3, 633-639 (2000).
    12. Priori, A., Berardelli, A., Rona, S., Accornero, N., Manfredi, M. Polarization of the human motor cortex through the scalp. Neuroreport. 9, (10), 2257-2260 (1998).
    13. Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66, (2), 198-204 (2010).
    14. Schulz, R., Gerloff, C., Hummel, F. C. Non-invasive brain stimulation in neurological diseases. Neuropharmacol. 64, (1), 579-587 (2013).
    15. Johansson, B. B. Current trends in stroke rehabilitation. A review with focus on brain plasticity. Acta Neurol. Scand. 123, (3), 147-159 (2011).
    16. Kandel, M., Beis, J. -M., Le Chapelain, L., Guesdon, H., Paysant, J. Non-invasive cerebral stimulation for the upper limb rehabilitation after stroke: a review. Annals Phys. Rehab. Med. 55, (9-10), 657-680 (2012).
    17. Hummel, F. C., Cohen, L. G. Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke. Lancet Neurol. 5, (8), 708-712 (2006).
    18. Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., Cohen, L. G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals Neurol. 55, (3), 400-409 (2004).
    19. Adeyemo, B. O., Simis, M., Macea, D. D., Fregni, F. Systematic review of parameters of stimulation, clinical trial design characteristics, and motor outcomes in non-invasive brain stimulation in stroke. Front. Psychiatry. 3, 88 (2012).
    20. Butler, A. J., et al. A meta-analysis of the efficacy of anodal transcranial direct current stimulation for upper limb motor recovery in stroke survivors. J. Hand Ther. 26, (2), 162-170 (2013).
    21. Marquez, J., van Vliet, P., McElduff, P., Lagopoulos, J., Parsons, M. Transcranial direct current stimulation (tDCS): Does it have merit in stroke rehabilitation? A systematic review. Int. J. Stroke. (2013).
    22. Hummel, F. C., et al. Facilitating skilled right hand motor function in older subjects by anodal polarization over the left primary motor cortex. Neurobiol. Aging. 31, (12), 2160-2168 (2010).
    23. Reis, J., et al. Noninvasive cortical stimulation enhances motor skill acquisition over multiple days through an effect on consolidation. PNAS. 106, (5), 1590-1595 (2009).
    24. Hesse, S., et al. Combined transcranial direct current stimulation and robot-assisted arm training in subacute stroke patients: a pilot study. Restor. Neurol. Neuros. 25, (1), 9-15 (2007).
    25. Madhavan, S., Weber, K. A., Stinear, J. W. Non-invasive brain stimulation enhances fine motor control of the hemiparetic ankle: implications for rehabilitation. Exp. Brain Res. 209, (1), 9-17 (2011).
    26. Tanaka, S., et al. Single session of transcranial direct current stimulation transiently increases knee extensor force in patients with hemiparetic stroke. Neurorehab. Neural Rep. 25, (6), 565-569 (2011).
    27. Mahmoudi, H., et al. Transcranial direct current stimulation: electrode montage in stroke. Disabil. Rehabil. 33, (15-16), 1383-1388 (2011).
    28. Mansur, C. G., et al. A sham stimulation-controlled trial of rTMS of the unaffected hemisphere in stroke patients. Neurology. 64, (10), 1802-1804 (2005).
    29. Fregni, F., et al. Transcranial direct current stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients. Neuroreport. 16, (14), 1551-1555 (2005).
    30. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75, (24), 2176-2184 (2010).
    31. Bolognini, N., et al. Neurophysiological and behavioral effects of tDCS combined with constraint-induced movement therapy in poststroke patients. Neurorehab. Neural Rep. 25, (9), 819-829 (2011).
    32. Vines, B. W., Cerruti, C., Schlaug, G. Dual-hemisphere tDCS facilitates greater improvements for healthy subjects' non-dominant hand compared to uni-hemisphere stimulation. BMC Neurosci. 9, 103 (2008).
    33. Edwardson, M. A., Lucas, T. H., Carey, J. R., Fetz, E. E. New modalities of brain stimulation for stroke rehabilitation. Exp. Brain Res. 224, (3), 335-358 (2013).
    34. Stagg, C. J., et al. Polarity-sensitive modulation of cortical neurotransmitters by transcranial stimulation. J. Neurosci. 29, (16), 5202-5206 (2009).
    35. Clark, V. P., Coffman, B. A., Trumbo, M. C., Gasparovic, C. Transcranial direct current stimulation (tDCS) produces localized and specific alterations in neurochemistry: a H magnetic resonance spectroscopy study. Neurosci. Lett. 500, (1), 67-71 (2011).
    36. Liebetanz, D., Nitsche, M. A., Tergau, F., Paulus, W. Pharmacological approach to the mechanisms of transcranial DC-stimulation-induced after-effects of human motor cortex excitability. Brain. 125, (10), 2238-2247 (2002).
    37. Nitsche, M. A., et al. Pharmacological modulation of cortical excitability shifts induced by transcranial direct current stimulation in humans. J. Physiol. 553, (Pt 1), 293-301 (2003).
    38. Nitsche, M. A., et al. Consolidation of human motor cortical neuroplasticity by D-cycloserine). Neuropsychopharmacol. 29, (8), 1573-1578 (2004).
    39. Shors, T. J., Matzel, L. D. Long-term potentiation: what's learning got to do with it. Behav. Brain Sci. 20, (4), 597-614 (1997).
    40. Miyamoto, E. Molecular mechanism of neuronal plasticity: induction and maintenance of long-term potentiation in the hippocampus. J. Pharmacol. Sci. 100, (5), 433-442 (2006).
    41. Puts, N. A. J., Edden, R. A. E. In vivo magnetic resonance spectroscopy of GABA: a methodological review. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 60, 29-41 (2012).
    42. Tkác, I., Oz, G., Adriany, G., Ugurbil, K., Gruetter, R. In vivo 1H NMR spectroscopy of the human brain at high magnetic fields: metabolite quantification at 4T vs. 7T. Magn. Res. Med. 62, (4), 868-879 (2009).
    43. Marjanska, M., et al. Localized 1H NMR spectroscopy in different regions of human brain in vivo at 7 T2 relaxation times and concentrations of cerebral metabolites. NMR Biomed. 25, (2), 332-339 (2012).
    44. Mescher, M., Merkle, H., Kirsch, J., Garwood, M., Gruetter, R. Simultaneous in vivo spectral editing and water suppression. NMR Biomed. 11, (6), 266-272 (1998).
    45. Mescher, M., Tannus, A., Johnson, M. O., Garwood, M. Solvent suppression using selective echo dephasing. J. Magn. Res. Series A. 123, 226-229 (1996).
    46. Stagg, C. J., Bachtiar, V., Johansen-Berg, H. The role of GABA in human motor learning. Curr. Biol. 21, (6), 480-484 (2011).
    47. Rango, M., et al. Myoinositol content in the human brain is modified by transcranial direct current stimulation in a matter of minutes: a 1H-MRS study. Magn. Reson. Med. 60, (4), 782-789 (2008).
    48. Bastani, A., Jaberzadeh, S. a-tDCS Differential Modulation of Corticospinal Excitability: The Effects of Electrode Size. Brain Stim. 6, (6), 932-937 (2013).
    49. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120, (Pt 1), 141-157 (1997).
    50. Gruetter, R., Tkác, I. Field mapping without reference scan using asymmetric echo-planar techniques). Magn. Res. Med. 43, (2), 319-323 (2000).
    51. Tkác, I., Starcuk, Z., Choi, I. Y., Gruetter, R. In vivo 1H NMR spectroscopy of rat brain at 1 ms echo time. Magn. Res. Med. 41, (4), 649-656 (1999).
    52. Provencher, S. W. Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra. Magn. Res. Med. 30, (6), 672-679 (1993).
    53. Oz, G., et al. Assessment of adrenoleukodystrophy lesions by high field MRS in non-sedated pediatric patients. Neurology. 64, (3), 434-441 (2005).
    54. Henry, P. -G., et al. Brain energy metabolism and neurotransmission at near-freezing temperatures: in vivo (1)H MRS study of a hibernating mammal. J. Neurochem. 101, (6), 1505-1515 (2007).
    55. Westman, E., et al. In vivo 1H-magnetic resonance spectroscopy can detect metabolic changes in APP/PS1 mice after donepezil treatment. BMC Neurosci. 10, 33 (2009).
    56. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), (2011).
    57. Nitsche, M. A., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stim. 1, (3), (2008).
    58. 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, (8), 1133-1145 (2011).
    59. Zaitsev, M., Speck, O., Hennig, J., Büchert, M. Single-voxel MRS with prospective motion correction and retrospective frequency correction. NMR Biomed. 23, 325-332 (2010).
    60. Henry, P. -G., et al. Proton-observed carbon-edited NMR spectroscopy in strongly coupled second-order spin systems. Magn. Res. Med. 55, (2), 250-257 (2006).
    61. Govindaraju, V., Young, K., Maudsley, A. A. Proton NMR chemical shifts and coupling constants for brain metabolites. NMR Biomed. 13, (3), 129-153 (2000).
    62. Pfeuffer, J., Tkác, I., Provencher, S. W., Gruetter, R. Toward an in vivo neurochemical profile: quantification of 18 metabolites in short-echo-time (1)H NMR spectra of the rat brain. J. Magn. Res. 141, (1), 104-120 (1999).
    63. Adler, C. M., et al. Neurochemical effects of quetiapine in patients with bipolar mania: a proton magnetic resonance spectroscopy study. J. Clin. Psychopharmacol. 33, (4), 528-532 (2013).
    64. Aoki, Y., Inokuchi, R., Suwa, H. Reduced N-acetylaspartate in the hippocampus in patients with fibromyalgia: A meta-analysis. Psychiatry Res. 213, (3), 242-248 (2013).
    65. Zahr, N. M., et al. In glutamate measured with magnetic resonance spectroscopy: behavioral correlates in aging. Neurobiol. Aging. 34, (4), 1265-1276 (2013).
    66. Reyngoudt, H., et al. Does visual cortex lactate increase following photic stimulation in migraine without aura patients? A functional (1)H-MRS study. J. Headache Pain. 12, (3), 295-302 (2011).
    67. Nenadic, I., et al. Superior temporal metabolic changes related to auditory hallucinations: a (31)P-MR spectroscopy study in antipsychotic-free schizophrenia patients. Brain Struct. Funct. (2013).
    68. Currie, S., et al. Magnetic resonance spectroscopy of the brain. Postgrad. Med. J. 89, (1048), 94-106 (2013).
    69. Stagg, C. J. Magnetic Resonance Spectroscopy as a tool to study the role of GABA in motor-cortical plasticity. NeuroImage. (2013).
    70. Bottomley, P. A. Spatial localization in NMR spectroscopy in vivo. Ann. N. Y. Acad. Sci. 333-348 (1987).
    71. Frahm, J., et al. Localized high-resolution proton NMR spectroscopy using stimulated echoes: initial applications to human brain in vivo. Magn. Res. Med. 9, (1), 79-93 (1989).
    72. Gussew, A., et al. Absolute quantitation of brain metabolites with respect to heterogeneous tissue compositions in (1)H-MR spectroscopic volumes. Mag. Res. Mat. Phys. 25, (5), 321-333 (2012).
    73. Gasparovic, C., et al. Use of tissue water as a concentration reference for proton spectroscopic imaging. Magn. Res. Med. 55, (6), 1219-1226 (2006).
    74. Nitsche, M. A., et al. MRI study of human brain exposed to weak direct current stimulation of the frontal cortex. Clin. Neurophysiol. 115, (10), 2419-2423 (2004).
    75. Miranda, P. C., Faria, P., Hallett, M. What does the ratio of injected current to electrode area tell us about current density in the brain during tDCS? Clin. Neurophysiol. 120, (6), 1183-1187 (2009).
    76. Faria, P., Leal, A., Miranda, P. C. Comparing different electrode configurations using the 10-10 international system in tDCS: a finite element model analysis. IEEE Engineering Med. Biol. Soc. 2009, 1596-1599 (2009).
    77. Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (76), 1-11 (2013).
    78. Reidler, J. S., Zaghi, S., Fregni, F. Chapter 12. Neurophysiological Effects of Transcranial Direct Current Stimulation. Neurofeedback and neuromodulation techniques and applications. Coben, R., Evans, J. R. Elsevier. Philadelphia, PA. (2011).
    79. Zheng, X., Alsop, D. C., Schlaug, G. Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on human regional cerebral blood flow. NeuroImage. 58, (1), 26-33 (2011).
    80. Antal, A., Polanía, R., Schmidt-Samoa, C., Dechent, P., Paulus, W. Transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex during fMRI. NeuroImage. 55, (2), 590-596 (2011).
    81. Brunoni, A. R., et al. The sertraline vs. electrical current therapy for treating depression clinical study: results from a factorial, randomized, controlled trial. JAMA Psychiatry. 70, 383-391 (2013).

    Comments

    0 Comments


      Post a Question / Comment / Request

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

      Usage Statistics