磁共振波谱的用途,用于对初级运动皮层新陈代谢双半球经颅电刺激效果的测量工具一

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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).

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Abstract

经颅直流电刺激(TDCS)是已经被越来越多地使用在过去的十年中的神经和精神疾病,如中风和抑郁症治疗中的神经调制技术。然而,其调节大脑兴奋,改善临床症状的能力背后的机制仍然知之甚少33。以帮助改善这种认识,质子核磁共振波谱(1 H-MRS)可以使用,因为它允许在体内量化脑代谢物如γ氨基丁酸(GABA)和谷氨酸的区域特异性方式41。事实上,最近的一项研究表明,1 H-MRS确实是一个有力的手段,以更好地了解TDCS的神经递质浓度34的影响。本文旨在描述完整的协议,使用MEGA-PRESS序列,在3个T组合TDCS(NeuroConn MR兼容刺激)与1 H-MRSuence。我们将介绍这表明电机功能障碍的治疗中风后,由初级运动皮层27,30,31双侧刺激大有希望的协议的影响。方法上要考虑的因素和可能的修改协议进行了讨论。

Introduction

应用电到人的大脑来调节其活性的思想自古进行了研究。事实上,从早在11 世纪作品已被发现,描述癫痫发作1的治疗中使用的鱼雷电鱼的。然而,它不是直到最近,非侵入性脑刺激已经接收在科学界广泛的兴趣,因为它显示出,以产生对认知功能和运动响应2的调节作用。而经颅磁刺激(TMS)已经被广泛自80年代初3的研究,在经颅直流电刺激(TDCS)最近的兴趣有所增加,因为它现在被认为是一种可行的治疗选择,适用范围广neuropathologies,如中风4,酒精成瘾5,和慢性疼痛6。 TDCS拥有像TMS的神经刺激技术的许多优点,例如因为它是相对便宜的,无痛,以及患者的耐受性,并便于携带,因而可以施用在床头7。事实上,病人只有一小部分会遇到刺激8中一个轻微的刺痛感。然而,这种感觉几秒钟后,9通常会消失。因此,TDCS可以让强大的双盲,假对照研究,因为大部分学员无法从真正的刺激9,10区分假刺激。

TDCS涉及一个恒定的低安培电流(1-2毫安)的诱导,通过设置在被检体的头皮表面上的电极施加到皮质。该电极通常置于生理盐水浸泡过的海绵上或直接用脑电图型糊头皮。进行TDCS研究中,四个主要的参数需要被实验者进行控制:刺激的1)的持续时间; 2)刺激的强度; 3)电极尺寸;和图4)的电极的蒙太奇。在标准协议中,“有效的”电极被定位在感兴趣的区域,而参考电极通常是放置在眶上区域。从朝向带负电的阴极带正电的阳极电流流过。上主运动皮层(M1)的TDC的作用是通过刺激的极性,其中阳极刺激增强的神经元群的兴奋性和阴极刺激降低了它11来确定。不像TMS,感生电流不足以在皮层神经元产生动作电位。在皮质兴奋性的变化被认为是由于膜的神经元的阈值,导致膜电位的任一所述的超极化,或取决于电流流8,11的方向上的神经元的去极化的一个便利的调制。的兴奋性变化的持续时间可以持续长达90分钟的抵销后的刺激,这取决于刺激持续时间11,12。

TDCS和康复运动

M1的已被广泛地用作刺激的靶由于通过TDCS引起兴奋性的变化可以通过定量运动诱发电位(MEP的)诱导的单脉冲TMS 3。早期研究显示,测量由TDCS极性特定的兴奋性变化的可能性已经使用M1作为刺激11,12的一个目标。从那时起,货币供应量M1一直保持的TDCS的主要目标之一,同时涉及临床和人群,因为它的运动功能,记忆形成重要的健康受试者,巩固和运动技能12项研究。

大脑依靠两个半球的运动区域进行运动14之间复杂的相互作用。当一个区域被破坏,患中风的例子后,跨半球相互作用改变。已经研究脑可塑性表明大脑的运动区适应这种修饰以不同的方式15。首先,受损区域的完整,周边​​区域可以成为overactived,从而抑制受损区域 - 一个称为帧内半球抑制过程。第二,受损区域的同源区域可以变得过度活跃,发挥抑制对受伤半球 - 一种称为半球间的抑制过程。受影响的M1,因此可以处罚两次:第一次由病变和第二的抑制来自未受影响货币供应量M1和M1的影响16的周边区域未来。最近的研究已经表明,在未受影响的半球兴奋性增加被链接到较慢的康复17,其已经被描述为适应不良半球间的竞争18。

了解后发生的可塑性中风可导致神经调节协议的发展,可以恢复大脑半球间的相互作用19。三大TDCS治疗已经提出了中风20,21例运动障碍。第一次治疗的目的是通过单方面的阳极刺激(A-TDCS)重新激活受伤运动皮层。在这种情况下,刺激的目的是直接增加活性损伤周围的区域,这被认为是为恢复必要的。实际上,研究已经显示改善患侧上或下肢的以下这种治疗22-26。第二处理用通过在完整M1施加单方面阴极 TDCS(三-TDCS)还原过度活化的对侧半球的目的开发的。在这里,刺激旨在通过interhemispehric 间接的相互作用越来越多的活动在病灶周围地区。这些研究结果表明改善马达functi的后C-TDCS 4,27-29。最后,第三个治疗的目的是结合了-TDCS的兴奋作用在受伤M1用c-TDCS利用双边 TDCS的抑制效果比未受影响的M1。结果双方TDCS 27,30,31后显示改善运动功能。此外,一项研究证明相比,无论单侧方法32以下的双边TDCS更大的改善。

TDCS的生理机制

尽管中风的治疗越来越多地使用TDCS的,生理机制及其潜在影响仍然不明33。更好地了解生理效应可能有助于开发出更好的治疗方案,并可能导致标准化的协议。如前所述,TDCS的效果可以持续长达90分钟的刺激11,12后的偏移量。因此,超极化/去极化进程不能完全解释长期持续的影响33,34。不同的假说已经提出了关于生理机制后遗症M1上包括改变神经递质的释放,蛋白质合成,离子通道的功能,或受体活性34,35底层TDCS。通过药理学研究显示anodal和阴极刺激M1上的兴奋性由谷氨酸N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂美沙芬36,37后的效果的抑制首次获得分析上市此事而相反的效果被示出使用NMDA受体激动剂38。 NMDA受体被认为是与学习和记忆功能,通过长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD),两者由谷氨酸能和GABA能神经元39,40介导的。动物研究,可在与该假说线,因为它们表明,一个-TDCS诱导LTP 13。

<P类=“j​​ove_content”>尽管我们的行动所依据TDCS的影响,药理协议存在很大的局限性机制的理解取得了重要进展。实际上,药物作用,不能作为在空间上具体为TDCS,特别是在人体实验的范围内,并且它们的效果的作用机制主要是由于突触后受体34。因此,有必要以更直接调查TDCS对人脑的影响。质子核磁共振谱(1 H-MRS)是一个很好的候选,因为它允许非侵入性检测体内的神经递质浓度的感兴趣的特定区域。这种方法是基于在大脑每含有质子的神经化学物质具有特定的分子结构,因此,产生了可以通过1 H-MRS 41来检测特定化学共振的原理。从在大脑的体积所获得的信号terest是从1至5 ppm的之间产生共鸣所有质子产生。所获取的神经化学物质被表示在频谱并绘制它们的化学位移与一些清晰可辨峰值的函数,但在来自不同的神经化学物质的许多谐振重叠。每个峰的信号强度正比于neurometabolite 41的浓度。可量化的神经化学物质的量取决于磁场42,43的强度。然而,低浓度的代谢产物,其通过非常强的共振遮蔽,难以量化,在较低的电场强度如3吨以获得关于这种重叠的信号的信息的一种方式是通过频谱编辑以除去强共振。一种这样的技术是一个MEGA-PRESS序列,它允许检测γ氨基丁酸(GABA)的信号44,45的。

只有少数研究探讨了对TDCS的影响用1 H-MRS在马达34,46和非运动区域的脑代谢47.斯塔格和合作者34评估一个-TDCS和c-TDCS,并在M1代谢假刺激的影响。他们发现了以下一-TDCS一个显著降低GABA的浓度,以及以下的c-TDCS一个显著减少谷氨酸+谷氨酰胺(采集Glx)和γ-氨基丁酸。在另一项研究中,据报道,引起一个-TDCS超过M1的变化的GABA浓度的量相关的运动学习46。

这些研究突出结合1 H-MRS与TDCS增加我们的生理机制TDCS对运动功能的影响基本的理解的潜力。另外,因为其行为效应是公研究和可直接关系到生理结果的使用,如-TDCS和c-TDCS超过M1的临床方案是有用的。因此,一个标准的协议,用于组合双边TDCS和1 H-MRS是使用3个T的MRI系统表现出在健康参与者。 Bihemispheric TDCS呈现单边哪里阴极或单侧anodal TDCS被应用在运动皮层34以前的MRS研究对比数据。该协议具体说明了刺激与NeuroConn刺激了西门子3个T扫描仪进行MEGA-PRESS 1 H-MRS。

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Protocol

该研究是通过联合德Neuroimagerie Fonctionnelle和蒙特利尔大学的研究和社区伦理委员会,并做符合道德规范在赫尔辛基宣言规定。所有受试者签署知情同意书之后精心筛选了MRI的兼容性以及他们参与了经济补偿。

1. TDCS材料

  1. 确保所有必要的材料都可以在实验开始(参见图1表)之前。
    注:不同的电极尺寸可供TDCS。对于本研究中,两个5×7厘米的橡胶电极将被使用。其它尺寸可以根据刺激的区域和刺激48的所需focality来选择。
  2. 请务必检查DC-刺激器的电池进行充电,并定期向他们收取,因为设备无法充电或插入的杜环刺激出于安全原因。

2.规划条件刺激

  1. 根据设备附带的说明打开TDCS设备上。预先设定的TDCS设备两种不同的刺激模式(主动和假)。
  2. 因为一些设备不具有预先设定的模式下,选择开始刺激前适当假参数。
    1. 通过加载的设置预先定义的一组参数。按下按钮2或4,从主菜单中的“系统”选项中选择( 见图2)。
    2. 将光标移动到显示第2行上按下按钮3。
    3. 按下按钮2或4,直到“加载设置”显示在显示屏上。按下按钮3。
    4. 按下按钮2选择设定(A,B,C或D)的信4。
    5. 移动光标向上的按钮1,显示屏将自动显示“参数”选项。
    6. 按下按钮1回线路3.按下按钮2或4按下按钮3转到4号线选择“淡入”,从设备的屏幕菜单选项,然后按按键2和4来调​​整持续时间15秒。
      注:淡入的持续时间可以修改。
    7. 按按钮1返回到线3按按钮2或4.按按钮3转到线4从装置的屏幕菜单中的“淡出”选项,然后按下按钮2和4来调​​整持续时间15秒。
      注:淡入的持续时间可以修改。
    8. 按下按钮1回线3普雷斯S中的按钮2或4,直到“时间”选项显示在显示菜单上。按下按钮3转到管道4,然后按下按钮2和4来调整持续时间,以在设备上可用的最小持续时间(15秒用于本设备;参见图3b)。
      注意:这将导致类似活动的刺激刺痛感。
  3. 按下按钮1和3同时保存设置的改变。
  4. 预编程的活性的刺激参数。要做到这一点,请为假刺激的设定相同的指令,但程序持续时间为1200秒(20分钟,参见图3A)。
  5. 前置程序的测试刺激参数。要做到这一点,请为假刺激的设定相同的指令进行编程,但持续时间为45秒。
    注:测试的刺激将用于前实验的阻抗测量。
  6. 伪然domly分配刺激的条件下,以参与者。
  7. 号码指定给每三个条件的盲实验:1)双侧:anodal右,左阴极; 2)双侧:anodal左,右阴极; 3)假:anodal权,阴极左右。

3.同意的参与者

  1. 告知程序的参与者,并签署知情同意书。
    1. 验证参与者没有任何禁忌TDCS:一个精神或神经的历史,起搏器的存在,金属植入颅骨,昏厥病史,癫痫病史,药物滥用,癫痫家族史的历史,发热配合,在前面的一个晚上睡眠不足,皮肤敏感的历史,以及任何饮酒前一天的历史。
    2. 通知的报道最多的副作用TDCS的参与者:轻度刺痛;中度疲劳;在电极下的瘙痒感轻;轻微烧灼感。
  2. 通知通常的MR禁忌症和副作用的参与者。

4.用于测量电极放置

  1. 用10/20的国际体系,找到参与者头以下的地标:鼻根和INION( 图4a),耳前点,两个目标区域:C3和C4( 图4b)。
    1. 找到鼻根为位于鼻子的两只眼睛之间的水平大桥鲜明贫困地区。定位INION如位于头骨的下部枕骨最突出的突起。找到每个耳朵靠近耳前点;它是上面颧骨切口压痕。定位,如下所述基于测量的C3和C4。
  2. 用卷尺测量沿所述头部的中线鼻根和INION之间的距离,并作出标记在距离机智的50%哈非永久水电标记。
  3. 用卷尺测量两个耳前点之间的距离,并作出标记以非永久水电标记在与前一标记在线的距离的50%。这一点对应于直拉(顶点)。
  4. 从锆石,沿耳前点之间形成的线,标记2点,每侧一个,与对应的总距离的20%的非永久水电标记。这些标记对应于所述目标区域(C3和C4, 图4b)。
    注:其他的方法,例如TMS或神经导航也可以用于本地化M1。

5.放置电极的

  1. 移动尽可能多的头发尽量远离,这将刺激目标区域。用棉拭子擦拭目标领域的应用EEG型去角质凝胶。
  2. 清洁用70%的异丙醇和浮石垫预学习目标区域,以提高电极接触。
  3. 慷慨地覆盖一个脑电图型导电性糊的整个电极。确保该糊为约5毫米厚的整个表面上。确保整个区域的橡胶覆盖粘贴。轻轻润湿目标区域和与盐溶液的电极的导电性糊状物。
  4. 放置电极, 如图4b和按电极牢固地到目标区域。周围放置的参加者的头部的橡胶带,以保证所述电极的最佳稳定性。调节它以这样的方式,参与者将扫描会话期间遇到没有疼痛或不适。
  5. 确保该引线不来与皮肤接触,以避免潜在的灼伤。

6. TDCS测试外扫描室

  1. 用万用表来验证所述电极线和电阻的正常运作。
  2. 打开TDCS设备并加载测试刺激设置。 按下按钮2或4,从主菜单中的“系统”选项中进行选择。将光标移动到显示屏上2号线通过按下按钮3.按下按钮2或4,直到“加载设置”显示在显示屏上。按下按钮3.按下按钮,选择预编程的测试设定(A,B,C或D)的信2或4。
  3. 移动光标向上与1显示该按钮会自动显示“参数”选项。在第一行,按下按钮2,显示屏会显示“刺激?”使用不同的预编程参数。
  • 按下按钮1,启动刺激。显示屏将显示该阻抗值,如果达到超过20kΩ的自动停止。如果阻抗电平是在20千欧,从内盒上拔下电极布线和退出该扫描室,以验证所述电极的定位。
  • 重做测试刺激。当impedan的良好水平策达到和当测试刺激结束后,从内盒上拔下电极。
  • 7.安装TDCS

    1. 如图5,放置TDCS设备和扫描仪中的控制室的外箱。
      注意:TDCS设备和外箱是不磁共振兼容,不应被取入到磁体的环境。
    2. 请将外包装盒导线插入TDCS设备,然后将长箱电缆入外箱。
    3. 运行扫描仪控室到核磁共振室的TDCS箱电缆。一定要尽可能地直跑这个线,避免任何扭结或环路,沿朝MRI扫描仪背面的核磁共振室的墙上。放电缆的多个MR兼容的沙袋以确保其稳定性,如示于图5。
    4. 把内盒到核磁共振室和插头的长方块电缆进去( 图5)。

    8. MRI扫描镨eparation

    1. 请参与者进入MRI室,如果不是已经在那里从TDCS测试,并把在耳塞。
    2. 穿上薄薄的坐垫MRI表的线圈面积下。要求参与者躺在桌子上。把一个坐垫下参与者的舒适性和毯子的腿如果需要的话。使参加培训的报警按钮,安全的目的。
    3. 把独立的耳机了两只耳朵,允许从扫描仪控室的参与者在核磁共振室的信息传输。
    4. 定位参与者的头部尽可能地高,其中所述头部线圈将被定位(头尽可能地靠近该表的顶部,其中所述线圈将被置于顶部)下的面积。把电极布线沿着右侧的参与者的头部的,所推荐的TDCS设备公司。
    5. 将32信道接收专用周围的参加者的头部线圈。通过运行该电极电缆右侧的线圈。使用红色定位激光(内置在扫描器的功能)定位的参加者的头部尽可能地直。
    6. 请参与者移动胳膊和腿成一个舒适的位置,同时确保手不要触及。请务必提醒与会者留下尽可能保持整个会话期间。当参加者准备好,移动台越过中间线在扫描仪的后面到达电极布线。
    7. 用医用胶带,以右侧的线圈的后面的稳定的电极线。请将位于扫描仪到TDCS内盒里面的电极线。把内箱的右侧扫描仪上有一个沙袋为最大稳定性。
    8. 将表背到其最终位置。保持TDCS接通和电极插入整个MRI检查会话的外箱。

    9.前TDCS 1 H-MRS会议

    运行一个定位序列来获取所需的验证头的正确定位和可比性,后者将在会议结束时获得了检查整个运动的第二定位图像。
  • 掌握解剖牛逼1 -加权MPRAGE图像的体素M1的检测和可能的结构异常的定位(T R = 2300毫秒; T E = 2.91毫秒; FA:9°; FOV = 256×256毫米,256×256矩阵; T I:900毫秒,176片;方位:矢状;采集时间:4分12秒)。
  • 在这架飞机更适合的光谱感兴趣体积的(VOI)的可视化进行图像的多规划者重建。
    1. 在3D卡,浏览MPRAGE原始图像(矢状方向)。从“创造平行的范围”窗口中选择“轴2X2”。调整平行线的位置,然后单击保存以创建轴正交视图。
    2. 从“创造平行的范围”窗口中选择“冠2X2”。调整平行线的位置,然后单击“保存”以创建冠状正交视图。
  • 找到这三个方向切片的基础上Yousry左M1和合作者“49解剖标志。然后,在区域定位感兴趣体积(30×30×30mm的3),没有任何角度相对于所述扫描器轴(图6)。
  • 获取线宽扫描(21多个)。
    1. 选择光谱卡来测量来自该线宽度的扫描信号的实数部分水线宽。从浏览器中加载的线宽度的原始数据。加载线宽测量协议(协议菜单:选择协议)。
    2. 通过调整扫描仪软件的交互式后处理工具的阶段。选择的相位校正部件,并调整相对于用光标基线。
    3. 为了减小线宽,运行FAST(EST)50 MAP序列三次。重复线宽扫描和线宽度测量(步骤9.5)。注意最后的水线宽。
  • 开始4块64的代谢产物扫描(32“EDIT OFF”和32个“EDIT ON”,交错)与MEGA-PRESS序列44,45,其中VAPOR 51,OVS 51和FID的个人存储启用(T R = 3 S,T E = 68毫秒,总采集时间:12分钟)
  • 获取水参考使用MEGA-PRESS序列无MEGA水抑制,与抑制蒸汽(“RF只关”),并用三角测量为0 ppm的。收购4代谢产物的扫描,而不是64单块(采集时间:42秒)。
  • 10. TDCS程序

    1. 通知参与者的TDCS刺激将启动,并且扫描仪会沉默整个刺激。
    2. 选择两个先前前卫之一根据条件和启动刺激撞向参数。在刺激20分钟,保持跟踪的阻抗和电压。当刺激结束后,通知参与者的后TDCS MRS会议将开始。请不要关闭TDCS设备。

    11后TDCS 1 H-MRS会议

    1. 运行相同的代谢物的扫描与MEGA-PRESS序列作为预TDCS扫描而获得双倍的块(8个块的64次扫描(32“EDIT OFF”,和32“EDIT ON”时,交织))获取的代谢产物在2不同时间点后TDCS。
    2. 作为与预TDCS会话,获得使用相同的参数以水为参照物扫描。与定位序列完成的会话。
    3. 直观地比较获得在扫描会话的开始和结束的头部运动的一个索引定位器的图像。
    4. 访问收视卡,进入浏览器菜单。选择所述第一和第二局部izer RAW图像。加载在观看卡中的图像,并比较这两个图像。在通过服务器的DICOM格式导出数据。

    1 H-MRS数据分析12

    1. 使用编程和处理软件导入数据,并调整频率使用的2.85和3.40 ppm的TCR和TCHO信号单独存储的FID和相位。要做到这一点,使用该软件的lsqnonlin功能,以适应频率和每个傅里叶变换的FID(光谱)的阶段会话的平均光谱。
      注:这是一个网站的具体方法和其他方法导入和分析数据不一定会影响数据质量。
    2. 以获得最终的光谱,减去从备用的扫描信号与施加在百万分之4.7和7.5ppm的(“EDIT OFF”),并在1.9 ppm的和百万分之4.7(“EDIT ON”)( 图7,该选择性的双层闭合脉冲)。
    3. 使用LCModel 52两个差的分析和“EDIT OFF”光谱。默认情况下禁用模拟和建模的基础。
    4. 进行光谱排除与从肩胛下脂质信号污染的会话的目视检查(请参见第F igure 9)。
    5. 作为质量控制的一部分,不包括光谱与TCR-CH 3以上的10赫兹线宽。只有在分析中包括代谢物(GABA,采集Glx,TCR,的tnaA)的定量与克拉美罗下界(CRLB)低于35%。
      注:CRLB提供代谢物的定量估计错误。 CRLB> 50%是不可靠的,并且是推荐的截止由LCModel手册。许多在该领域已另外用一个CRLB低于35%作为标准。53-55,所述的CRLB应该解释结果时牢记。
    6. 从“编辑OFF”光谱和的tnaA来自“EDIT OFF”和“获得GABA和采集Glx的量化值从”差异“的光谱,TCR; DIFF“快递浓度的利益,通过TCR比的不同代谢物对于GABA和采集Glx,乘以由以下基团的平均校正因子的比值占用于分子和分母酶(tnaA从不同基组。”。编辑OFF“光谱/的tnaA从”差异“光谱)。
      注意:注意:GABA和采集Glx浓度也可以使用水或NAA的信号进行量化。

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    Representative Results

    图6示出的所述VOI的位置位于手的M1中,其中采取了所有MRS措施的表示。在图6D,三维可视化显示设置在头皮上的假定初级运动皮层的TDCS电极的明确表示。 图7所示为代表的“EDIT OFF”和差异M1收购(“差异”)的光谱。对应于采集Glx,GABA + MM以及NAA峰可以清楚地看到。

    图8示出了黄采集预TDCS和后TDCS在单个参加者的三种不同条件之间的变化百分比。结果从后TDCS会话被分成两个时间点,说明随着时间的推移变化的演变。 图8a示出了改变用于采集Glx的百分比。对于假刺激,采集Glx浓度显示没有明显的调制。双边stimuLATION 1(左anodal,右阴极),再次采集Glx没有显着的调制观察;然而,随着时间的推移的浓度的调节是相反的是什么,在假刺激观察到的。最后,关于双侧刺激2(左阴极,右anodal),一个类似的图案,观察到假刺激但与采集Glx浓度的刺激后显着提高,在第二时间点。

    图8b示出的GABA的浓度相对于刺激的状态的变化的百分比。对于假刺激,GABA浓度显示没有明显的调制。然而,有轻微的降低是在两个时间点观察到。 γ-氨基丁酸的以下的假刺激的调制比对采集Glx更重要,。与此相反,GABA的浓度显着上升被认为是在双边刺激1(左阳极,右阴极)之后的第二时间点。最后,相似的变化的图案在假刺激是观察双侧刺激2(左阴极,阳极右)。

    图9示出了所获得的从两个不同的参与者的光谱。 图9a显示了良好的质量具有可接受的脂质信号的频谱; 图9b中示出了具有大脂质的信号,将其排除的视觉检查后的光谱。最后, 图10示出了所关注以下5毫米参加运动的体素的位置的位移。

    图1
    图1:材料。 1)盐溶液; 2)导电糊; 3)电极凝胶; 4)酒精预备垫; 5)卷尺; 6)脑电图铅笔; 7)橡皮筋; 8)内盒; 9)TDCS设备; 10)外包装盒; 11)内盒电缆; 12)外箱电缆; 13)电极; 14)长的电缆盒


    图2:按钮的本议定书中所使用的特定TDCS设备上的定位TDCS设备的图像。这些按钮用于预先设置不同的设置。

    图3
    图3:TDCS条件的时间过程。 A)时间过程的积极TDCS条件。预TDCS代谢收购完成后,打开TDCS设备和斜坡上升的电流,持续15秒,直到为1 mA达到的强度。刺激20分钟和斜降的电流,持续15秒,直至为0毫安强度被达到。请不要关闭TDCS设备,并进入到后期刺激代谢物的采集。 B)的假TDCS条件时程。预TDCS代谢收购完成后,TUR得到n个TDCS设备和斜升电流,持续15秒,直到以1mA的强度上。刺激,持续15秒(最小时间可用的当前设备)和斜降的电流,持续15秒,直至为0毫安强度被达到。等待20分钟。请不要关闭TDCS设备,并进入到后期刺激代谢物的采集。

    图4
    图4:电极定位A)采用C3和C4的识别10/20国际体系的地标。顶点(锆石)对应于鼻根和INION,两个耳前点之间的距离的50%之间的距离的50%。 B)的C3和C4对应于耳前点之间的总距离,从顶点测量的20%。请务必留下至少8厘米的距离的两个电极之间。


    图5:在MR ​​室的示意图。放置材料的MR扫描和主机房。重要的是要遵循的协议的设备的不同部件的定位,以获得良好质量的磁共振信号,并为安全目的。

    图6
    图6:VOI的位置。 VOI的位置(30×30×30mm的3)过M1的在(A)的矢状面,(B)的冠状,和(C)的轴向切片的左手区域。电极的定位的三维可视化示于(D)中。

    图7
    7:1 H-MRS代谢物SPECTR嗯。代表(A)“编辑OFF”和(B)的区别与包括原始数据,拟合从LCModel和残差的MEGA-PRESS序列44,45收购(“差异”)的光谱。 CR:肌酸(肌酸+磷酸肌酸(CR-CH 3 + PCR-CH 3)); NAA:N -乙酰天门冬氨酸+ NAAG(SNAA + NAAG); GLX:谷氨酸+谷氨酰胺(谷氨酸+谷氨酰胺); GABA + MM:γ氨基丁酸+大分子

    图8
    图8:在采集Glx和GABA双边TDCS为单一主体的影响。 A)所示的三个条件上采集Glx浓度TDCS的影响。结果表示为预TDCS采集与两个交刺激采集之间的变化百分比。 B)显示了三个条件对GABA浓度TDCS的影响。结果表示为茶的百分预TDCS采集和两个刺激后收购的NGE。深水:双侧,双侧1:左阳极,阴极的权利;双方2:左阴极,阳极的权利

    图9
    图9:在光谱的目视检查)的高质量的数据为例。该图显示了“编辑关”和“DIFF”光谱与脂质的可接受量。 SNR从“差别”谱分析:56 CRLB的GABA信号:TCR-CH 3的14%Lw中,在3ppm以下:5.6赫兹。引起的参与者的过度运动质量差数据B)的实施例。该图显示“编辑OFF”和“差异”光谱。 SNR从“差别”谱分析:GABA信号39 CRLB:TCR-CH 3的47%Lw中,在3ppm以下:4.4赫兹


    图10:VOI的5mm的移动后的位置的移动(30×30×30mm的3)过M1的左手区(A)的矢状面和(B)的冠状切片后的VOI的位置。的颅骨,并在框脑膜列入将导致夹杂物的脂质的扫描和消除。浅灰色正方形表示VOI的初始位置。

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    Discussion

    本论文的目的是描述的标准协议相结合的TDCS和1 H-MRS使用3个T扫描仪。在下一节中,方法学因素进行讨论。

    关键步骤
    禁忌症筛查
    以前的实验中,这是用于与使用TDCS和1 H-MRS的任何禁忌症的关键画面的参与者。使用下列排除标准推荐用于TDCS:精神病或神经病学史,心脏起搏器的情况下,一块金属植入在颅骨,昏厥史,惊厥史或药物滥用史。因为从左边M1代谢物只将被收购,从研究左手参与者排除建议。事实上,最近的一项研究表明根据手偏好的主导与非主导半球之间的差异纵裂抑制,它可以调节刺激15的效果。此外,在实验开始前,请检查在头皮的任何损害,并要求任何皮肤疾病56。如果有病变存在,尽量避免直接刺激患处。此外,还建议刺激57后检查皮肤。另外,筛选过敏的存在下,以任何用于电极蒙太奇的产品。对于1 H-MRS,排除标准应该是一样的任何磁共振成像研究,包括仔细筛选的任何先前的手术为金属在体内的存在。

    同样重要的是,以确定参与者是否感觉到在TDCS刺激任何不适。再次,实验后,参加者应询问任何副作用。它可以使用一个记录的形式,包括最报道的副作用来量化它们的关系存在的协议(参见58,用于一个例子)。报道最多的副作用是轻微的刺痛感(70.6%),中度疲劳(35.3%),瘙痒的电极下的光感(30.4%),和轻微的灼热感(21.6%),58。

    运动减少人工制品

    在扫描仪中的参加者的运动是在1 H-MRS的一个主要问题,因为这是影响数据59的品质的主要因素之一。 如图10所示 ,受检者的运动(从1毫米到5毫米)的可导致大的脂质信号在频谱从而改变了的数据的质量,因此,该采集的数据中排除。因此,关键的是在整个扫描过程中仔细解释到参与者的头部稳定性的重要性。在扫描仪中的参加者的定位,它使拍摄对象,找到最舒适的位置,以避免任何进一步的运动是重要的。杜尔荷兰国际集团VOI的定位,它也是重要的通知,即使扫描是无声,有必要保持静止的参与者。

    此外,在实验的持续时间为,以帮助减少移动的总量的一个重要因素。首先,要使用的最佳长度为解剖序列,尽可能地短,但足够长的时间,以获得良好质量的图像的VOI的放置是重要的。二,利用代谢收购的短序列的TDCS之前,建议。第三,为了捕捉的刺激效应的时间过程中,在刺激后的使用获取的较长序列的建议。第四,比较前后的试验航向的图像来估计参与移动。

    分析
    该MEGA-PRESS序列44,45用来获取本地化,水抑制,编辑谱。一个空间定位在印刷机是使用90进行6;海明过滤的同步脉冲(时间带宽积= 8.75,持续时间= 2.12毫秒,带宽(FWHM)= 4.2千赫)和两个180°茂脉冲(持续时间= 5.25毫秒,带宽= 1.2千赫)。所有的定位脉冲3ppm的执行。选择性双带状180°Shinnar-勒鲁脉冲施加于1.9,γ -氨基丁酸的β-CH 2,和百万分之4.7的交替的谐振频率与7.5和4.7 ppm的。额外的水抑制使用可变功率优化弛豫延迟(气相)和外体积抑制,OVS 50分别适于人类3 T方式和之前的MEGA-PRESS并入并用于抑制水,并改善所述VOI的定位。当选择脉冲施加在1.9 ppm,则谐振在1.9 ppm的和脉冲的带宽内的共振倒置引起的γ-CH 2共振的GABA(“EDIT ON”)的再聚焦。当选择脉冲施加在7.5 ppm,则通常spectrum在68毫秒T E获得(“EDIT OFF”)与γ-CH 2 GABA共振相位调制。信号从备用扫描结果选择性观察GABA三重,总肌酸(肌酸磷酸肌酸+),共振(“差异”)的取消外系的减法。由于反相脉冲的带宽,萘乙酸,谷氨酸+谷氨酰胺,和大分子的附加共振也观察到。整个协议分为四个交错收购和频率被各个扫描之前更新以最小化频率漂移由于硬件。交错的采集和单一的FID存储允许频率和相位中的后处理的校正。

    在协议中所描述的分析方法可以实验光谱的最佳拟合为模型光谱的线性组合的计算。为基础集模型谱“EDIT OFF”光谱是基于密度矩阵形式主义59模拟与已知的化学位移 J耦合60,并包括如下:乙酰ñ-acetylaspartate(SNAA),丙氨酸(Ala),抗坏血酸(升序),天冬氨酸的基团(天冬氨酸),萘乙酸的天冬氨酸部分(mNAA),CH 2基团的Cr(铬-CH 2),CH 3基团的Cr(铬-CH 2),CH 2基团的PCr(的PCR-CH 2),CH 3基团的PCR(PCR-CH 2),γ-氨基丁酸,血糖(葡萄糖),谷氨酸,谷氨酰胺,甘(GPC),甘氨酸(甘氨酸),还原型谷胱甘肽(GSH),乳酸(LAC), 肌醇(MI),N -acetylaspartylglutamate( NAAG),磷酸胆碱(PCHO),磷酰乙醇胺(PE), 肌醇(SI),和牛磺酸。

    依据“DIFF”光谱集是由NAA,γ-氨基丁酸,谷氨酸,谷氨酰胺和四个100毫米的解决方案(600毫升球形挡风玻璃F实验测得的光谱中产生lasks)使用相同的参数和扫描仪如用于体内实验。每种溶液还含有K 2 HPO 4(72毫摩尔),KH 2 PO 4(28毫摩尔),叠氮化钠(0.1毫摩尔),3-(三甲硅烷基)-1-丙磺酸的钠盐(TSP; 2毫摩尔),甲酸( 200毫米;可选)和蒸馏水。在37℃,并尽力在生理温度下获得的基组谱图,进行以最小化冷却(〜1℃的范围内采集的15)通过将每一个在一个较小的水之前,预热在一个大水箱的体模-filled分离的塑料容器,该容器被放置在线圈。温度和pH值是在光谱尤其重要,因为它们会影响代谢产物的化学位移。此外,为“EDIT OFF”和“差异”的光谱,基组包括代谢,调零大分子频谱从10名受试者实验测得,从使用的枕叶皮层反转恢复(反转时间,T I = 760毫秒),使用相同的参数作为常规的MEGA-PRESS采集(除了对于T R = 2.7多个)61的技术。

    幻影测试
    测试在100毫米的GABA幻象的方法使用和不使用TDCS刺激器,将用于对参加者的准确的扫描仪和序列参数强烈建议先于所述第一参与者正在研究中。该过程应包括一个定位序列,解剖序列(即MPRAGE),线宽度的扫描和16“EDIT ON”和“EDIT OFF”扫描。这应该被重复,如果刺激,刺激参数或扫描器被改变。为了研究人工制品上的信号的存在,应检查光谱为具有和不具有TDCS模拟器变化的SNR,尖峰和在特定频率的噪声,以及SNR值的存在,并在解剖伊马任何重要假象GES。

    可能的修改议定书
    1 H-MRS参数
    为了获得使用。1 H-MRS代谢物的浓度,就必须进行本地化的特定区域和激发信号的这种体积35。在本文件中,对于放置在左M1的单个VOI的过程​​进行了说明。然而,许多不同的修改,这个协议可以被应用。代谢物浓度的测量成功已证明在各种皮质和皮质下区域,如前额皮层62,海马63,小脑纹状体和桥脑64,视皮层66和听觉皮层67。 VOI的大小也可以不同的感兴趣区域的功能,但体积通常介于3和27 毫升68的范围内。然而,这是很难获得低浓度的代谢物SUC的浓度H作为GABA的像素超过20厘米3小。一个重要的问题是确保避免所述VOI与颅骨,脑膜,和外脑的脑脊液任何接触。在较小的大脑中,VOI可能包括左侧脑室的一部分。在这种情况下,夹杂物的心室优选在加入颅骨。

    此外,根据所选择的采集序列,不同的代谢产物可以被量化69。以前的方法中,因为TDCS的上皮层的极性特定的效果,如点-RE-解决光谱(PRESS)序列70和受激回波采集模式(蒸汽)71,没有允许的GABA的定量在1.5T。然而,兴奋性,既兴奋性(谷氨酸)和抑制(GABA)的神经递质的量化是必不可少的。在本协议中,使用的MEGA-PRESS谱编辑序列44,45的结果显示,其允许主要的神经化学物质的定量,包括GABA的(参见图6)。其他序列使GABA量化,比如超短TE MRS J -resolved刘健,已经发展在过去的几年中(见41进行审查)。

    最后,由于代谢物浓度通常表示为相对于另一代谢物(相对浓度)之比,基准代谢物的选择是非常重要的,尤其是这样的研究中采用临床人群69。最常用的参考代谢物是TCR和NAA,因为它们的浓度被认为是在人脑中相对稳定。应当指出,也可以使用代谢物的绝对定量,需要参照的任一外部(例如,虚线)或内部信号(例如,水的信号)68。使用一个内部水参考需要一个附加组织校正的步骤,因为水浓度和松弛性能灰质,白质和脑脊液(CSF)是不同的。72所述的组织的校正,可以执行或者使用中的所有参与者的所述VOI的估计组织的组合物或用受试者的特定组织组合物从细分73。另外,应该指出的是,TDCS进行诱导水肿的理论风险,这可能对水浓度的影响很小。然而,Nitsche和合作者74直接评估这一特定的关注和呈现以下的额叶皮层TDCS没有证据水肿。因此,利用以水为参照物被认为是一种可行的选择。

    TDCS参数
    不同的电极尺寸可以根据刺激的区域和刺激75,76的所需focality使用9。席尔瓦和合作者56 1 H-MRS是可用于验证已被证明可以改善在不同临床人群症状具体TDCS协议作用的基本机制的有效技术。电极定位和刺激的持续时间可以被修改以调查这些具体TDCS协议的影响,例如那些之一,疼痛,抑郁,耳鸣,帕金森氏,偏头痛,和酒精滥用的治疗中使用(参见77的协议的描述)。还应当指出的是,如果阻抗水平高于20千欧,该设备不会刺激,并显示在屏幕上的阻抗的错误消息。不同的因素会导致高阻抗包括:1)不足的电极的导电膏的量2)在电极上的压力不足; 3)不良的合作与头皮(引起头发)ntact;由于脱发的头皮4)增稠剂; 5)问题与连接; 6)问题与布线; (7)问题的刺激;和8)的问题电极。

    还应当注意的是,定位初级运动皮质的TDCS能够更精确。在本协议中,10/20 EEG系统的使用,这可能会带来最大电场投影和M1的中央前回内实际表示略有偏差。规避该问题的一种可能的方法是使用经颅磁刺激通过TMS诱发的肌肉反应来精确定位于M1中的手表示。在MR扫描仪附近可用性TMS单位可能会限制这种可能性。

    TDCS安全和 1 H-MRS
    TDCS安全
    多项研究表明,TDCS是安全神经调制技术产生两个非临床和临床人群10只有轻微的不良影响。事实上,癫痫发作任何情况下曾经被报道如下TDCS 10。然而,TDCS的安全性尚未在儿童和孕妇78调查。

    MR兼容的材料
    应该注意的MR扫描仪内刺激时服用。带入的MR室的所有材料必须是MR兼容的(参见图1)。因为由TDCS和MR扫描仪产生的电流之间可能存在相互作用,TDCS应始终导通,并且在电极应保持连接,在本协议中所描述的MR序列。的导线的磁头线圈下卷取可产生伪影和失真的信号中。此外,线的误连接可能产生足够的电流强烈燃烧的参与者<SUP> 79。最后,为了从未断开时,电流流过的电极是非常重要的,因为这可能会导致不必要的高电压刺激。

    TDCS-MRS技术
    与刘健一起使用TDCS提供了更好地了解潜在的大脑活性的调节与此相对较新的技术,神经调节机制的可能性。然而,该技术的一些局限性应加以注意。首先,在TDCS使用的电极通常是相当大的,并被认为刺激的影响,以覆盖脑组织的一个宽的空间范围。加上这一事实杜采集被限制在一个小的体素的兴趣,TDCS-MRS只允许对尽管大脑兴奋的推定广泛调制空间外切作用的评估。规避该问题的一种可能的方式是使用的兴趣在整个脑分布的多个像素。然而,这将SIG的着地增加了实验的会话,这已经是本技术的一个主要限制的持续时间。事实上,考虑到参与者的准备时,预TDCS刘健,TDCS干预和后期TDCS刘健,一个完整的会话可以很容易地长达两个小时。如果希望地图上的代谢物浓度TDCS效应的时程持续时间也会增加。

    相关的实验的持续时间的一个重要问题是,电极阻抗会增加之后,参与者是在扫描仪的可能性。因为TDCS可以很容易地开始电极放置后多于45分钟,存在这样的风险,该刺激电极会逐渐失去粘附到参与者的头皮如果膏应用不是最佳的,电极没有保持得足够紧。如果阻抗达到超过20千欧,刺激将是不可能的,并且参与者将需要从扫描仪中删除要解决的问题。由于日E中所述方法包括将多个扫描同一区域前后的TDCS的,除去从扫描器的参与者可以创建感兴趣的体素的重要位移。因此,它是非常重要的,以测试阻抗之前立即扫描和安装电极时非常小心。

    从理论上讲,TDCS的电流可产生在MR信号假象。安塔尔和合作者80通过测量不同TDCS条件的影响(使用和不使用的电极,具有与无刺激等)上的功能性磁共振图像的质量调查了这一特定的关注。然而,据我们所知,由于TDCS设备中的扫描器的存在伪影的光谱信号的存在尚未进行评估。

    最后,应注意,在所述电极线的问候电阻。磁共振领域可能会损坏电阻,从而preventin克刺激。作为预防措施,阻力应在扫描仪的环境外,每MRS会议之前进行测试。此外,超过20千欧的阻抗可以导致皮肤反应和高阻抗可能反映了早期或实际问题的刺激。因此,刺激应仔细扫描仪的房间外,每MRS会议之前检查每一个参与者和阻抗水平前检查。

    合并TDCS和1 H-MRS是一种强大的工具,其提供了用于临床治疗脑代谢的影响的定量测量。作为TDCS影响的生理机制仍然知之甚少,有必要对多式联运方式,可以了解这些过程的光。随着最近激增的临床工具,用于疾病如中风27,30,31和凹陷81中TDCS兴趣,很显然,与杜组合TDCS的可能是一个重要工具,以更好地理解TDCS的治疗效果。此外,TDCS-MRS可作为早期的工具,以确定哪些病人有更好的机会,以临床为TDCS回应。如果找到这样的标记物,TDCS-MRS可以用作前招募患者在TDCS干预的筛选试验。

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    Disclosures

    作者什么都没有透露。

    Acknowledgments

    该作品是由来自健康研究的加拿大学院和加拿大自然科学和工程研究理事会的资助。 ST是由来自健康研究的加拿大学院一凡尼尔加拿大研究生奖学金的支持。 MM承认生物技术研究中心(BTRC)批P41 RR008079和P41 EB015894(NIBIB),以及NCC P30 NS076408的支持。

    我们要感谢罗曼Valabrègue(中心德NeuroImagerie德RECHERCHE - CENIR,巴黎,法国)和布莱斯Tiret(中心RECHERCHE DE L'学院Universiatire德Gériatrie(CRIUGM),加拿大蒙特利尔,小卖部A L'大气能源等辅助能源替代品(CEA),法国巴黎)用于开发处理工具,和爱德华J·奥尔巴赫(中心磁共振研究及放射科,美国明尼苏达大学,美国)。该MEGA-PRESS和FASTESTMAP序列开发由爱德华·J·奥尔巴赫和马乌戈热塔Marjańska和明尼苏达大学下一个C2P协议提供的。

    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

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