Användning av magnetisk resonansspektroskopi som ett verktyg för mätning av Bi-hemisfären transkraniell elektriska retningar Effekter på Primär Motor Cortex Metabolism

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

Transkraniell likström stimulering (TFF) är ett neuromodulering teknik som har blivit allt vanligare under det senaste decenniet i behandlingen av neurologiska och psykiatriska sjukdomar som stroke och depression. Ändå förblir de mekanismer som ligger bakom dess förmåga att modulera hjärnans retbarhet att förbättra kliniska symptom dåligt kända 33. För att bidra till att förbättra denna förståelse, kan protonmagnetisk resonansspektroskopi (1 H-MRS) användas som den tillåter kvantifiering av hjärn metaboliter såsom γ-aminosmörsyra (GABA) och glutamat i en region specifikt sätt 41 in vivo. I själva verket visade en färsk undersökning att 1 H-MRS är verkligen ett kraftfullt medel för att bättre förstå effekterna av TFF på signalsubstansen koncentration 34. Denna artikel syftar till att beskriva hela protokollet för att kombinera TFF (NeuroConn MR kompatibel stimulator) med 1 H-MRS vid 3 T med hjälp av en MEGA-PRESS seqytande. Vi kommer att beskriva effekterna av ett protokoll som har visat mycket lovande för behandling av motoriska dysfunktioner efter stroke, som består av bilateral stimulering av primära motoriska cortex 27,30,31. Metod faktorer att tänka på och eventuella ändringar av protokollet diskuteras också.

Introduction

Idén med att applicera elektricitet till den mänskliga hjärnan att modulera dess aktivitet har studerats sedan urminnes tider. I själva verket har skrifter från så tidigt som den 11: e-talet visat sig att beskriva användningen av torpeden elektriska fiskar vid behandling av epileptiska anfall 1. Ändå är det inte förrän nyligen som icke-invasiv hjärnstimulering har fått stort intresse i forskarvärlden som det visat sig ge modulerande effekter på kognitiv funktion och motorisk respons 2. Medan transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har studerats sedan början av 1980-talet 3, har nyligen intresse för transkraniell likström stimulering (TFF) ökade som det nu anses vara en livskraftig behandlingsalternativ för ett brett spektrum av neuropatologier, såsom stroke 4, alkoholberoende 5, och kronisk smärta 6. TFF har många fördelar jämfört med neurostimulering tekniker som TMS, till exempel,eftersom det är relativt billigt, smärtfri, tolereras väl av patienter, och portabel, vilket sålunda gör det möjligt att administrera vid sängkanten 7. Faktum är att endast en liten andel av patienterna upplever en mild stickande känsla under stimuleringen 8. Dock försvinner denna känsla vanligtvis efter några sekunder 9. Följaktligen TFF gör robusta dubbelblinda och placebokontrollerade studier eftersom en majoritet av deltagarna kan inte skilja bluff stimulering från verkliga stimulering 9,10.

TFF involverar induktion av en konstant låg strömstyrka elektrisk ström (1-2 mA) appliceras till cortex via ytelektroder placerade på hårbotten av ämnet. Elektroderna är vanligtvis placerad i saltlösningsindränkta svampar eller direkt på hårbotten med en EEG-typ pasta. Att genomföra en TFF studie, fyra parametrar måste kontrolleras av försöks: 1) hur länge stimulans; 2) intensiteten i stimuleringen; 3) elektroden storlek; och 4) elektrodmontage. I standardprotokoll, är den "aktiva" elektroden placeras över området av intresse medan referenselektroden är vanligtvis placerad över supraorbital regionen. Strömmen flyter från den positivt laddade anoden mot den negativt laddade katoden. Effekten av TFF på primära motoriska cortex (M1) bestäms av polariteten för stimulering där anodstimulering ökar retbarhet av en population av neuroner och katodstimulering minskar 11. Till skillnad från TMS, är otillräcklig för att producera aktionspotentialer i kortikala neuroner den inducerade strömmen. Förändringarna i kortikal retbarhet tros vara på grund av moduleringen av membranet neuronal tröskel leder till antingen den hyperpolarisering av membranpotentialer eller ett underlättande av depolarisering av neuroner beroende på riktningen för strömflöde 8,11. Varaktigheten av retbarhet förändringar kan kvarstå i upp till 90 min efter den förskjutnaav stimulans, beroende på stimulering längd 11,12.

TFF och Motor Rehabilitering

M1 har i stor utsträckning använts som ett mål för stimulering eftersom upphetsning förändringar framkallade av TFF kan kvantifieras genom motorn framkallade potentialer (ledamöter) inducerade av enstaka puls TMS 3. Tidiga studier som visar möjligheten att mäta polaritet specifika upphetsning förändringar inducerade av TFF har använt M1 som ett mål för stimulering 11,12. Sedan dess har M1 förblivit ett av de primära målen för TFF i studier med både kliniska populationer och friska individer på grund av dess betydelse i motorik, minne bildning och konsolidering av motorik 12.

Hjärnan är beroende av ett komplext samspel mellan motor regioner i båda hjärnhalvorna för att utföra en rörelse 14. När ett område är skadad, efter att ha drabbats av en stroke till exempel inter-hemispheric interaktioner förändras. Studier på hjärnplasticitet har visat att de motoriska områden i hjärnan anpassa sig till denna modifikation på olika sätt 15. För det första kan de intakta, omgivande regioner av det skadade området blir overactived, vilket leder till hämning av det skadade området - en process som kallas intra-hemispheric inhibition. För det andra kan den homologa regionen i det skadade området blir overactivated och utöva hämning på den skadade hemisfären - en process som kallas inter hemispheric inhibition. Den drabbade M1 kan därför dubbelt straffade: först av skadan och andra genom inhibition kommer från både opåverkade M1 och den omgivande regionen i den drabbade M1 16. En ny studie har visat att en ökad retbarhet i opåverkade halvklotet är kopplat till långsammare rehabilitering 17, som har beskrivits som maladaptiv inter hemispheric konkurrens 18.

Förståelse plasticitet uppträder efteren stroke kan leda till utveckling av neuromoduleprotokoll som kan återställa interhemispheric interaktioner 19. Tre huvud TFF behandlingar har föreslagits för patienter med motoriken efter stroke 20,21. Den första behandlingen syftar till att aktivera den skadade motorn cortex genom ett ensidigt anodstimulering (a-TFF). I detta fall syftar stimulering vid direkt ökande aktivitet i perilesional områden, som tros vara avgörande för återhämtning. I själva verket har studier visat förbättring av paretic övre eller nedre extremiteterna efter denna behandling 22-26. Den andra behandlingen har utvecklats med målet att minska över aktivering av contralesional halvklotet genom att tillämpa ensidiga katod TFF (c-TFF) över den intakta M1. Här syftar stimulering vid indirekt öka aktiviteten i perilesional områden genom interhemispehric interaktioner. Resultat från dessa studier har visat förbättring av motor funktipå efter att c-TFF 4,27-29. Slutligen syftar tredje behandlingen på att kombinera de excitatoriska effekterna av a-TFF över den skadade M1 med de hämmande effekterna av c-TFF under opåverkade M1 som använder bilaterala TFF. Resultaten har visat förbättringar i motorisk funktion efter bilaterala TFF 27,30,31. Dessutom visade större förbättringar följande bilaterala TFF jämfört med både ensidiga metoder 32 en studie.

Fysiologiska Mekanismer för TFF

Trots den ökande användningen av TFF vid behandling av stroke, den fysiologiska mekanism som ligger bakom dess effekter förblir okänd 33. En bättre förståelse av de fysiologiska effekterna skulle kunna bidra till att utveckla bättre behandlingsalternativ och kan leda till standardiserade protokoll. Som tidigare nämnts, kan effekterna av TFF pågå i upp till 90 min efter förskjutningen av stimulans 11,12. Därför hyperpolarisering / depolarisationprocesser kan inte helt förklara långtidseffekter 33,34. Olika hypoteser har föreslagits beträffande den fysiologiska mekanismen bakom TFF efter-effekter på M1 inklusive förändringar i frisättningen av neurotransmittorer, proteinsyntes, jonkanal funktion eller receptoraktivitet 34,35. Insikter i denna fråga först förvärvats genom farmakologiska studier som visar en dämpning av efterverkningarna av anod och katodstimulering på M1 retbarhet vid glutamaterga N-metyl-D-aspartat (NMDA) receptorantagonist dextrometorfan 36,37 medan motsatt effekt visades med hjälp av en NMDA-receptoragonist 38. NMDA-receptorer tros vara inblandade i inlärning och minnesfunktion genom långtidspotentiering (LTP) och långtidsdepression (LTD), båda medierad av glutamaterg och GABAerga nervceller 39,40. Djurstudier är i linje med denna hypotes eftersom de har visat att a-TFF inducerar LTP 13.

<p class = "jove_content"> Trots de betydande framsteg som gjorts i vår förståelse av de verkningsmekanismer som ligger bakom TFF effekter, farmakologiska protokoll presentera viktiga begränsningar. I själva verket kan läkemedelsverkan inte vara lika rumsligt specifika som TFF, i synnerhet när det gäller mänskliga experiment, och verkningsmekanismen för deras effekter är främst på grund av postsynaptiska receptorer 34. Därför finns det ett behov av att undersöka mer direkt effekterna av TFF på den mänskliga hjärnan. Protonmagnetisk resonansspektroskopi (1H-MRS) är en bra kandidat eftersom det tillåter icke-invasiv in vivo detektion av neurotransmittor koncentrationer i ett visst område av intresse. Denna metod är baserad på principen att varje proton innehållande neurokemiska i hjärnan har en specifik molekylstruktur och därmed producerar kemiskt specifika resonanser som kan detekteras med 1 H-MRS 41. Den förvärvade signalen från hjärnan volym iIntresset genereras från alla protoner som genljuder mellan 1 och 5 ppm. De förvärvade neurokemikalier finns representerade på ett spektrum och ritas som en funktion av deras kemiska skift med några klart urskiljbara toppar, men där många resonanser från olika neurokemikalier överlappar varandra. Signalintensiteten för varje topp är proportionell mot koncentrationen av den neurometabolite 41. Mängden neurokemikalier som kan kvantifieras beror på styrkan av det magnetiska fältet 42,43. Dock låg koncentration metaboliter, som skyms av mycket starka resonanser, är svåra att kvantifiera vid lägre fältstyrka såsom 3 T. Ett sätt att få information om sådana överlappande signaler är att ta bort de starka resonanser via spektral redigering. En av sådana tekniker är en MEGA-PRESS sekvens, som tillåter detektering av γ-aminosmörsyra (GABA) signaler 44,45.

Endast ett fåtal studier har undersökt effekten av TFF påhjärnans ämnesomsättning med hjälp av 1H-MRS i motor 34,46 och icke-motoriska områdena 47. Stagg och medarbetare 34 bedömt effekterna av a-TFF, c-TFF och bluff stimulering på M1 metabolism. De fann en signifikant minskning av GABA koncentrationen efter en-TFF, och en betydande minskning av glutamat + glutamin (Glx) och GABA efter c-TFF. I en annan studie rapporterades att mängden förändringar i GABA koncentrationen framkallade av en-TFF över M1 var relaterad till motorisk inlärning 46.

Dessa studier belysa potentialen i att kombinera 1 H-MRS med TFF för att öka förståelsen för den fysiologiska mekanismen bakom effekten av TFF på motoriska funktioner. Dessutom är användningen av kliniska protokoll såsom a-TFF och c-TFF över M1 användbart eftersom deras beteendeeffekter är väl studerade och kan vara direkt relaterade till fysiologiska resultat. Därför är ett standardprotokoll för att kombinera bilateralt TDCS och 1 H-MRS demonstreras i friska deltagare med hjälp av en 3 T MR-system. Bihemispheric TFF presenteras att kontras data med en tidigare MRS studie där ensidiga katod eller ensidiga anodal TFF applicerades över motor cortex 34. Protokollet beskrivs specifikt för stimulering med en NeuroConn stimulator i en Siemens 3 T scanner utför MEGA-PRESS 1 H-MRS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Studien godkändes av forskning och gemenskaps Etik styrelserna för Unité de Neuroimagerie Fonctionnelle och University of Montreal och gjordes i enlighet med de etiska reglerna som anges i Helsingforsdeklarationen. Alla försökspersoner gav skriftligt informerat samtycke efter noggrann screening för MRI kompatibilitet och var ekonomiskt kompenseras för deras deltagande.

1. TFF Material

  1. Kontrollera att alla nödvändiga material är tillgängliga före start av försöket (se Figur 1 för en lista).
    Anm: Olika elektrod storlekar finns för TFF. För denna studie kommer två 5 x 7 cm gummielektroder användas. Andra storlekar kan väljas, beroende på området för stimulans och den önskade focality av stimuleringen 48.
  2. Se till att kontrollera att batterierna i DC-stimulatorn är laddade och att regelbundet ta ut dem eftersom enheten inte kan laddas eller pluggas in during stimulering av säkerhetsskäl.

2. Planering av Villkor för stimulering

  1. Slå på TFF-enheten enligt instruktionerna som medföljer enheten. Förinställd på TFF-enheten för två olika stimuleringslägen (aktiva och bluff).
  2. Eftersom vissa enheter inte har en förinställd läge, välja lämpliga skenparametrarna innan du startar stimulering.
    1. Pre-definiera en uppsättning parametrar genom att ladda en inställning. Tryck på knappen 2 eller 4 för att välja från huvudmenyn på "system" (se figur 2).
    2. Flytta markören till rad 2 på skärmen genom att trycka på knappen 3.
    3. Tryck på knappen 2 eller 4 tills "belastning" visas på displayen. Tryck på knappen 3.
    4. Välj bokstaven i inställningen (A, B, C eller D) genom att trycka på knappen 2 eller 4.
    5. Flytta markören uppåt med knapp 1. Displayen visar automatiskt de "parametrar" alternativet.
    6. Tryck på knappen 1 för att gå tillbaka till linjen 3. Välj "fade in" alternativ från skärmmenyn på enheten genom att trycka på knappen 2 eller 4. Tryck på knappen 3 för att gå till linje 4 och tryck på knapparna 2 och 4 för att justera längden till 15 s.
      Obs: Tonar in löptider kan ändras.
    7. Tryck på knappen 1 för att gå tillbaka till linjen 3. Välj "tona ut" alternativ från skärmmenyn på enheten genom att trycka på knapparna 2 eller 4. Tryck på knappen 3 för att gå till linje 4 och tryck på knapparna 2 och 4 för att justera längden till 15 s.
      Obs: Tonar in löptider kan ändras.
    8. Tryck på knappen 1 för att gå tillbaka till linjen 3. Press på 2 eller 4 tills "varaktigheten" alternativet visas på displayen menyn. Tryck på knappen 3 för att gå till linje 4 och tryck på knappen 2 och 4 för att justera längden till den minsta varaktighet finns på enheten (15 s för denna enhet, se figur 3b).
      OBS: Detta kommer att framkalla en stickande känsla som liknar den aktiva stimulans.
  3. Tryck på knapparna 1 och 3 samtidigt för att spara ändringarna i inställningen.
  4. Pre-program de aktiva stimuleringsparametrarna. För att göra detta, följ samma instruktioner som för inställning av sken stimulans, men programmera varaktighet till 1.200 sek (20 min, se figur 3a).
  5. Pre-program stimuleringsparametrarna testet. För att göra detta, följ samma instruktioner som för inställning av sken stimulans men programmera varaktighet till 45 sek.
    Anmärkning: Testet stimulering kommer att användas för mätning av impedansen före experimentering.
  6. Pseudo-randomly tilldela villkoren för stimulans till deltagarna.
  7. Tilldela ett nummer till vart och ett av de tre villkoren för en blind experiment: 1) bilateralt: anodal höger, katod vänster; 2) bilaterala: anod vänster, katod höger; 3) sham: anod rätt, katod vänster.

3. samtycker deltagarna

  1. Informera deltagaren om förfarandet och underteckna medgivande.
    1. Kontrollera att deltagarna inte har någon kontraindikation för TFF: en psykiatrisk eller neurologisk historia, närvaron av en pacemaker, metall inopererad i skallen, en historia av svimning, kramper i anamnesen, en historia av drogmissbruk, en familjehistoria av beslag, anamnes på feber anfall, en brist på sömn i den föregående natten, en historia av känslighet i huden, och eventuella alkoholkonsumtion föregående dag.
    2. Informera deltagaren av de mest rapporterade biverkningarna av TFF: mild stickningar; måttlig trötthet; lätt känsla av klåda under elektrod; svagbrännande känsla.
  2. Informera deltagaren om de vanliga MR kontraindikationer och biverkningar.

4. Mätningar för Elektroder Placering

  1. Använd 10/20 internationella systemet för att finna följande landmärken på deltagaren huvudet: nasion och Inion (figur 4a), preaurikulär poäng och de två målområdena: C3 och C4 (figur 4b).
    1. Leta reda på nasion som den distinkta deprimerad område beläget på näsryggen i nivå mellan de båda ögonen. Leta reda på Inion som den mest framstående projektion pannben belägen vid den nedre delen av skallen. Leta reda på preaurikulär punkt nära varje öra; Det är indraget ovanför zygomatic notch. Lokalisera C3 och C4 baserat på mätningar som beskrivs nedan.
  2. Använd ett måttband för att mäta avståndet mellan nasion och Inion längs mittlinjen av huvudet och göra en markering vid 50% av avståndet witha icke-permanent vattenkraft markör.
  3. Använd ett måttband för att mäta avståndet mellan de två preaurikulär poäng och göra en markering med en icke-permanent vattenkraft markör vid 50% av avståndet i linje med den tidigare märkningen. Denna punkt motsvarar Cz (vertex).
  4. Från Cz, längs linjen skapas mellan preaurikulär punkter, markera två punkter, en på varje sida, med en icke-permanent vattenkraft markör som motsvarar 20% av den totala sträckan. Dessa märkningar motsvarar de målområden (C3 och C4, fig 4b).
    Obs: Andra metoder såsom TMS eller neuro kan också användas för att lokalisera M1.

5. Placering av elektroder

  1. Flytta så mycket hår som möjligt från de berörda områdena som ska stimuleras. Applicera ett EEG-typ exfolierande gel med en bomullspinne för att rengöra målområdena.
  2. Rengör målområdena med 70% isopropylalkohol och pimp prepping pad för att öka elektrodkontakt.
  3. Generously täcka hela elektrod med en EEG-typ ledande pasta. Säkerställa att pastan är ca 5 mm tjockt över hela ytan. Se till att hela gummiområdet är täckt med pasta. Lätt väta målområden och den ledande pastan på elektroderna med en saltlösning.
  4. Placera elektroderna som visas i figur 4b och tryck elektrod ordentligt på målområdena. Placera ett gummiband runt huvudet för deltagaren att säkerställa optimal stabilitet av elektroderna. Ställ den på ett sådant sätt att deltagaren kommer att uppleva någon smärta eller obehag under skanningssessionen.
  5. Se till att ledningarna inte kommer i kontakt med huden för att undvika eventuella brännskador.

6. TFF Test Utanför Scanner rummet

  1. Använd en multimeter för att kontrollera en väl fungerande elektrodkabeln och motstånd.
  2. Slå på TFF-enheten och ladda provstimuleringsinställningar. Tryck på knappen 2 eller 4 för att välja från huvudmenyn på "system". Flytta markören till rad 2 på skärmen genom att trycka på knappen 3. Tryck på knappen 2 eller 4 tills "belastning" visas på displayen. Tryck på knappen 3. Välj skrivelsen av den förprogrammerade provinställning (A, B, C eller D) genom att trycka på knappen 2 eller 4.
  3. Flytta markören uppåt med knapp 1. Displayen visar automatiskt "parametrar" alternativet. På den första raden, tryck på knappen 2. Displayen visar "stimulans?" med de olika förprogrammerade parametrar.
  • Tryck på knappen 1 för att starta stimuleringen. Displayen visar impedansen nivå och stannar automatiskt när den når mer än 20 kW. Om impedansen nivån är över 20 kW, koppla elektrodkablarna från den inre rutan och avsluta skanningsrummet för att kontrollera placeringen av elektroderna.
  • Gör om testet stimulans. När en god nivå av impedance nås och när teststimulering är över, koppla elektroderna från den inre rutan.
  • 7. TFF Setup

    1. Såsom visas i figur 5, placera TFF anordningen och den yttre rutan i skannern kontrollrummet.
      Obs: TFF-enheten och den yttre rutan är inte MR kompatibla och bör inte tas in i magnetmiljön.
    2. Anslut den yttre rutan trådar i TFF-enheten och anslut den långa rutan vajern i ytterlådan.
    3. Kör TFF rutan kabeln från skannern kontrollrummet i MRI rummet. Se till att köra den här kabeln så rak som möjligt, undvika alla veck eller öglor, längs väggen av MRI rum mot baksidan av magnetkamera. Sätt flera MR-kompatibla sandsäckar på kabeln för att säkerställa dess stabilitet, vilket visas i figur 5.
    4. Ta den inre rutan till MRI rummet och anslut den långa rutan kabeln i det (Figur 5).

    8. MRI Scan Preparation

    1. Be deltagaren att gå in i MRI rummet, om det inte redan där från TFF-test, och att sätta i öronproppar.
    2. Lägg en tunn kudde under spolen område MR tabellen. Be deltagaren att ligga ner på bordet. Lägg en kudde under benen på deltagaren för komfort och en filt om det behövs. Ge deltagaren larmknappen av säkerhetsskäl.
    3. Sätt separata hörlurar över båda öronen för att möjliggöra överföring av information från skanner kontrollrummet till deltagaren i MRI rummet.
    4. Positionera deltagarens huvud så hög som möjligt under det område där huvudet spolen kommer att positioneras (hjässan så nära som möjligt till den övre delen av tabellen där spolen kommer att placeras). Placera elektrodtrådar längs den högra sidan av huvudet för deltagaren, vilket rekommenderas av TFF tekniskt företag.
    5. Placera 32-kanals-bara ta emot spole runt huvudet för deltagaren. Kör elektrodkablarna genomden högra sidan av spolen. Placera huvudet på deltagaren så rak som möjligt med hjälp av en röd laser positionering (inbyggd funktion för skannern).
    6. Be deltagaren att röra armar och ben i en bekväm ställning, samtidigt se till att händerna inte vidrör. Se till att påminna deltagaren att stanna så stilla som möjligt under hela sessionen. När deltagaren är redo, flytta bordet förbi mittlinjen för att nå elektrodtrådarna på baksidan av skannern.
    7. Använd medicinsk tejp för att stabilisera elektroden kabeln på den högra sidan av den bakre delen av spolen. Anslut elektrodtrådarna som finns inuti skannern i den inre rutan TFF. Placera den inre rutan på höger sida av skannern med en sandsäck på det för maximal stabilitet.
    8. Flytta bordet tillbaka till sitt slutläge. Håll TFF påslagen och elektroderna ansluts till den yttre rutan för hela MRI sessionen.

    9. Pre-TFF 1 H-MRS Session

    Kör ett localizer sekvens för att få bilder som behövs för att kontrollera att rätt placering av huvudet och att jämföra med en andra localizer som kommer att förvärvades i slutet av sessionen för att kontrollera den totala rörelsen.
  • Förvärva anatomiska T 1 viktade MPRAGE bilder för placering av M1 voxel och upptäcka eventuella strukturella avvikelser (T R = 2.300 ms; T E = 2,91 ms, FA: 9 °; FOV = 256 x 256 mm, 256 x 256 matris ; T I: 900 ms, 176 skivor, orientering: sagittal, förvärv Tempo: 4 min 12 sek).
  • Utför en multi-planerare rekonstruktion av bilderna i plan som är mer lämpliga för visualisering av spektroskopi volym av intresse (VOI).
    1. I 3D-kort, bläddra MPRAGE råbilder (sagittal orientering). Från "skapar parallella intervall" fönstret väljer du "axiell 2X2". Justera placeringen av de parallella linjerna och klicka på Save för att skapa den axiella ortogonala vyn.
    2. Från "skapar parallella intervall" fönstret väljer du "koronala 2X2". Justera placeringen av de parallella linjerna och klicka på "Spara" för att skapa den koronala ortogonala vyn.
  • Leta reda på den vänstra M1 baserat på Yousry och samarbetsparter 49 anatomiska landmärken på tre orienterings skivor. Därefter placerar du VOI (30 x 30 x 30 mm 3) på området utan någon vinkling i förhållande till skanneraxeln (bild 6).
  • Skaffa en linjebredd scan (21 s).
    1. Välj spektroskopi kortet för att mäta vattenlinjebredden på den reella delen av signalen från denna linjebredd avsökning. Ladda linjebredd rådata från webbläsaren. Ladda linjebredd mätprotokoll (protokoll meny: välj protokoll).
    2. Justera fas med hjälp av skannerprogrammet interaktiva efterbehandlingsverktyg. Välj sektionen korrektionsfasen och justera fasen för baslinjen med markören.
    3. För att minska den linjebredd,kör FAST (EST) MAP 50 sekvensen tre gånger. Upprepa linjebredden scan och linjebreddmått (steg 9,5). Notera den slutliga vattenlinjebredden.
  • Start 4 block av 64 metabolit skanningar (32 "EDIT OFF" och 32 "EDIT ON", interfolierade) med en MEGA-PRESS sekvens 44,45, där VAPOR 51, OVS 51 och individuell förvaring av FID är aktiverade (T R = 3 S, T E = 68 ms, total förvärvs tid: 12 min)
  • Skaffa en vattenreferensen med MEGA-PRESS sekvens utan MEGA vattentryckning, med VAPOR tryckning ("bara RF off") och med en deltamätning vid 0 ppm. Skaffa ett enda block av 4 metabolit skannar i stället för 64 (förvärvs tid: 42 sek).
  • 10. TFF Procedur

    1. Informera deltagaren till att TFF stimuleringen startar och att skannern kommer vara tyst under hela stimulans.
    2. Välj en av de två tidigare progstampad parametrar enligt tillståndet och starta stimuleringen. Håll reda på impedans och spänningen under de 20 min av stimulering. När stimuleringen är över, meddelar deltagaren att efter TFF MRS session börjar. Stäng inte av TFF-enheten.

    11. Post-TFF 1 H-MRS Session

    1. Kör samma metabolit skanningar med MEGA-PRESS sekvens som pre-TFF skannar men dubbelt block av förvärvet (8 block om 64 skanningar (32 "EDIT OFF" och 32 "EDIT ON", interfolierade)) om förvärv av metaboliter vid två olika tidpunkter efter TFF.
    2. Som med det pre-TFF-session, förvärva en vattenreferens skanning med samma parametrar. Avsluta sessionen med en localizer sekvens.
    3. Visuellt jämföra de lokaliserings bilder förvärvade i början och slutet av skanningssessionen som ett index på huvudrörelse.
    4. Gå till programkort och gå till webbläsarens meny. Välj den första och andra lokalaIzer råbilder. Fyll på bilderna i tv-kort och jämföra båda bilderna. Exportera data i DICOM-format via servern.

    12. Analys av en H-MRS Data

    1. Importera data med hjälp av en programmerings och bearbetning programvara och justera frekvens och fas individuellt lagrade FID använder TCR och TCHO signal mellan 2,85 och 3,40 ppm. För att göra det använder programvarans lsqnonlin funktion för att passa frekvens och fas på varje enskilt Fourier-transforme FID (spektra) den genomsnittliga spektra av sessionen.
      OBS: Detta är en platsspecifik metod och andra metoder för att importera och analysera data kommer inte nödvändigtvis påverka datakvaliteten.
    2. För att erhålla den slutliga spektra, subtrahera signalerna från alternativa skanningar med de selektiva dubbel banded pulser som tillämpades vid 4,7 ppm och 7,5 ppm ("EDIT OFF") och vid 1,9 ppm och 4,7 ppm ("EDIT ON") (Figur 7 ).
    3. Använd LCModel 52för analys av både skillnad och "EDIT OFF" spektra. Avaktivera standardsimuleringar och baslinjen modellering.
    4. Gör en visuell kontroll av spektra att utesluta sessioner med föroreningar från subscapular lipid signal (se F igure 9).
    5. Som ett led i kvalitetskontrollen, utesluter spektra med linjebredd TCR-CH 3 över 10 Hz. Endast med i analys metaboliter (GABA, Glx, TCR, tNAA) vilka kvantifierade med Cramer-Rao undre gränser (CRLB) lägre än 35%.
      Obs: CRLB ger beräknade fel av metaboliten kvantifiering. CRLB> 50% är inte att lita på och är en rekommenderad cut-off av LCModel manual. Många i området har använt en CRLB lägre än 35% som standard. 53-55 Dessutom bör CRLB hållas i minnet vid tolkningen av resultaten.
    6. Skaffa GABA och Glx kvantifieringar från "DIFF" spektra, TCR från "EDIT OFF" spektra, och tNAA från både "EDIT OFF" och "; DIFF "Express koncentrationer av de olika metaboliter av intresse som förhållanden över TCR för GABA och Glx, multiplicera kvoten med följande grupp genomsnitt korrigeringsfaktor att ta hänsyn till de olika underlag uppsättning som används för täljare och nämnare (tNAA från.." EDIT OFF "spektra / tNAA från" DIFF "spektra).
      Obs! Obs! GABA och Glx koncentrationer kan också kvantifieras med hjälp av vatten eller NAA signal.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Figur 6 visar positionen för VOI ligger på representation hand i M1 där alla MRS åtgärder vidtogs. I figur 6D, visar en 3D-visualisering en tydlig representation av TFF elektroder placerade i hårbotten över den förmodade primära motoriska cortex. Figur 7 visar representativa "EDIT OFF" och skillnaden ("DIFF") spektra förvärvas i M1. Toppar motsvarande Glx, GABA + MM samt NAA syns tydligt.

    Figur 8 visar procentuell förändring mellan MRS förvärvs pre-TFF och efter TFF för de tre olika förhållanden i en enda deltagare. Resultat från den post-TFF session separeras i två tidpunkter för att illustrera utvecklingen av förändring över tid. Figur 8a visar den procentuella förändringen för Glx. För sken stimulans, Glx koncentrations visar ingen märkbar modulation. För bilaterala stimuning 1 (vänster anod, höger katod), återigen ingen märkbar modulering av Glx observeras; emellertid är modulering av koncentrationen över tiden motsatt till vad som observerats i den sken stimulering. När det slutligen gäller bilateral stimulering 2 (vänster katod, höger anod), är ett liknande mönster observer bluff stimulering, men med en märkbar förbättring av Glx koncentrationen i den andra tidspunkt efter stimulering.

    Figur 8b visar den procentuella förändringen i koncentrationen av GABA i förhållande till tillståndet av stimulering. För sken stimulans, GABA koncentrations visar ingen märkbar modulation. Dock är en liten minskning observerades vid båda tidpunkterna. Moduleringen av GABA efter sham stimulering är viktigare än för Glx ,. Däremot är en märkbar ökning av GABA koncentrationen ses i andragångspunkt efter bilateral stimulering 1 (vänster anod, höger katod). Slutligen ett liknande mönster av förändringtill bluff stimulering observeras för bilateral stimulering 2 (vänster katod, höger anod).

    Figur 9 visar den erhållna spektra från två olika aktörer. Figur 9a visar ett spektrum av god kvalitet med en acceptabel lipider signal. Figur 9b visar ett spektrum med stora lipider signaler, som uteslöts efter visuell inspektion. Slutligen, figur 10 visar förskjutning av läget för voxel av intresse efter 5 mm deltagare rörelse.

    Figur 1
    Figur 1: Material. 1) Saltlösning; 2) Ledande pasta; 3) Elektrod gel; 4) Alkohol prepping pad; 5) Måttband; 6) EEG penna; 7) Gummiband; 8) Inre box; 9) TFF anordningen; 10) Yttre box; 11) Inner box kabel; 12) Yttre box kabel; 13) Elektroder; 14) Lång box kabel


    Figur 2: TFF enhet Bild på placeringen av knapparna på den specifika TFF anordning som används i det nuvarande protokollet. Dessa knappar används för att förinställa de olika inställningarna.

    Figur 3
    Figur 3: Tidsförlopp för TFF betingelser. A) Tidsförloppet av den aktiva TFF tillstånd. Efter pre-TFF metaboliten förvärv, slå på TFF-enheten och ramp-up strömmen för 15 sek tills en intensitet av 1 mA har nåtts. Stimulera för 20 min och nedrampning strömmen för 15 sek tills en intensitet av 0 mA har nåtts. Stäng inte av TFF-enheten och gå vidare till efter stimulering metaboliten förvärv. B) Tid loppet av sken TFF skick. Efter pre-TFF metabolit förvärv, TURn på TFF-enheten och ramp-up strömmen för 15 sek tills en intensitet av 1 mA erhålls. Stimulera under 15 sekunder (den minsta tid som finns på den aktuella enheten) och ramp ner den nuvarande i 15 sekunder tills en intensitet på 0 mA har nåtts. Vänta 20 min. Stäng inte av TFF-enheten och gå vidare till efter stimulering metaboliten förvärv.

    Figur 4
    Figur 4: Elektrod positionering A) 10/20 internationella landmärken systemet som används för identifiering av C3 och C4. Vertex (Cz) motsvarar 50% av avståndet mellan nasion och Inion, och 50% av avståndet mellan de två preaurikulär punkter. B) C3 och C4 motsvarar 20% av det totala avståndet mellan de preaurikulär punkter, mätt från vertex punkten. Se till att lämna minst 8 cm avstånd mellan de båda elektroderna.


    Figur 5: Schematisk vy av MR rummet. Placering av materialen i MR skanning och konsol rum. Det är viktigt att följa protokollet för placering av de olika delarna av anordningen i syfte att erhålla en MR-signal av god kvalitet och för säkerhetsändamål.

    Figur 6
    Figur 6: VOI placering. Placering av VOI (30 x 30 x 30 mm 3) över vänstra delen av M1 i (A) sagittal, (B) koronal och (C) axiella skivor. 3D visualisering av positioneringen av elektroderna visas i (D).

    Figur 7
    Figur 7: 1 H-MRS metabolit Spectrum. Representant (A) "EDIT OFF" och (B) skillnad ("DIFF") spektra förvärvades med MEGA-PRESS sekvens 44,45 inklusive rådata, passningen från LCModel och förbättringarna. Cr: total kreatin (kreatin + phosphocreatine (Cr-CH3 + PCr-CH3)); NAA: N-acetyl-aspartat + NAAG (Snaa + NAAG); Glx: glutamat + glutamin (Glu + Gin); GABA + MM: γ-aminosmörsyra + makromolekyler

    Figur 8
    Figur 8: Effekter av bilaterala TFF på Glx och GABA för ett enda ämne. A) TFF effekter på Glx koncentration visas för de tre villkoren. Resultaten uttrycks som procentuell förändring mellan före TFF förvärv och de två efterstimulerings förvärv. B) TFF effekter på GABA koncentrationen visas för de tre villkoren. Resultaten uttrycks i procent av chaNBE mellan resultaten före TFF förvärv och de två efterstimulerings förvärv. Sham: Bilateral, Bilateral 1: vänster anod, höger katod; Bilateral 2: vänster katod, rätt anod

    Figur 9
    Bild 9: Visuell inspektion av spektra A) Exempel på en god datakvalitet. Figuren visar "REDIGERA AV" och "DIFF" spektra med en acceptabel mängd av lipider. SNR från analys av "DIFF" spektra: 56 CRLB av GABA-signalen: 14% Lw TCR-CH 3 på 3 ppm: 5,6 Hz. B) Exempel på en dålig kvalitetsdata som orsakas av alltför stora rörelser av deltagaren. Figuren visar "EDIT OFF" och "DIFF" spektra. SNR från analys av "DIFF" spektra: 39 CRLB av GABA-signalen: 47% Lw TCR-CH 3 på 3 ppm: 4,4 Hz


    Figur 10: VOI plats efter förflyttningen ståndpunkt VOI (30 x 30 x 30 mm 3) över vänstra delen av M1 i (A) sagittal och (B) koronala skivor efter en rörelse på 5 mm. Införande av skallbenen och hjärnhinnorna i rutan skulle leda till införandet av lipider och eliminering av skanningen. Den ljusgrå torget visar utgångsläget för VOI.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Föreliggande underlag och syftar till att beskriva ett standardprotokoll för att kombinera TFF och en H-MRS med användning av en 3 T scanner. I nästa avsnitt kommer metodologiska faktorer att diskuteras.

    Kritiska steg
    Kontra Screening
    Föregående experimentet, är det viktigt att deltagarna skärm för någon kontraindikation när det gäller användning av TFF och 1 H-MRS. Användningen av följande uteslutningskriterierna rekommenderas för TFF: en psykiatrisk eller neurologisk historia, förekomsten av en pacemaker, en bit metall inopererad i skallen, en historia av svimning, kramper i anamnesen eller en historia av drogmissbruk. Eftersom endast metaboliter från vänster M1 kommer att förvärvas, är uteslutande av vänsterhänta deltagare från studien rekommenderas. I själva verket har en ny studie visat differential interhemispheric hämning mellan de dominerande och icke-dominerande halvklotet beroende på handpreferensVilket kan modulera effekten av stimulering 15. Dessutom innan försöket, kontrollera om någon form av skada i hårbotten och be för någon hudsjukdom 56. Om det finns en skada före, försök att undvika att stimulera direkt drabbade området. Det rekommenderas också att inspektera huden efter stimulering 57. Även screena för förekomst av allergier till någon av de produkter som används för elektrodmontage. För 1 H-MRS bör uteslutningskriterierna vara desamma som för alla magnetisk resonanstomografi studie som omfattar en noggrann genomgång av några tidigare operationer för förekomst av metallen i kroppen.

    Det är också viktigt att avgöra om deltagaren kände något obehag under TFF stimulering. Återigen, efter försöket, deltagaren bör tillfrågas om eventuella biverkningar. Det är möjligt att använda en post-formulär, inklusive de mest rapporterade biverkningarna att kvantifiera deras närvaro i förhållande till protokollet (se 58 förett exempel). De mest rapporterade biverkningarna är lindriga stickningar (70,6%), måttlig trötthet (35,3%), en lätt känsla av klåda under elektrod (30,4%), och lätt brännande känsla (21,6%) 58.

    Move Artefakter Minskning

    Förflyttning av deltagaren i skannern är en viktig fråga under 1H-MRS eftersom detta är en av de viktigaste faktorer som påverkar kvaliteten på de uppgifter som 59. Som visas i figur 10, kan en rörelse av motivet (från 1 mm till 5 mm) leder till stora lipider signal i spektrumet därmed förändra kvaliteten på uppgifterna och följaktligen, med uteslutande av förvärvet från data. Därför är det viktigt att noga förklara för deltagaren vikten av huvudstabilitet under hela genomsökningen. Under placeringen av deltagare i skannern, är det viktigt att be motivet för att hitta den mest bekväma position för att undvika ytterligare rörelse. During positionering av VOI, är det också viktigt att meddela deltagaren att även om genomsökningen är tyst, är det viktigt att vara stilla.

    Dessutom är en viktig faktor för att hjälpa till att minimera den totala mängden av rörelse varaktighet av experimentet. För det första är det viktigt att använda en optimal längd för den anatomiska sekvensen, så kort som möjligt, men tillräckligt länge för att få bra bildkvalitet för placering av VOI. För det andra är användningen av en kort sekvens av metaboliten förvärv rekommenderas före TFF. För det tredje, för att fånga in den tidsmässiga förlopp stimuleringseffekter, är användningen av en längre sekvens av förvärvet efter stimulering rekommenderas. Fjärde, jämföra före och efter experimentet de lokaliserings bilder för att uppskatta deltagare rörelse.

    Analys
    MEGA-PRESS sekvens 44,45 används för att skaffa lokal, vatten tryckt, och redigerade spektra. En spatial lokalisering i PRESS utförs med användning av en 906; Hamming filtrerad synkpuls (bandbredd tids produkt = 8,75, längd = 2,12 ms, bandbredd (FWHM) = 4,2 kHz) och två 180 ° mao pulser (längd = 5,25 msek, bandbredd = 1,2 kHz). Alla lokaliseringspulser utförs vid 3 ppm. En selektiv dubbel banded 180 ° Shinnar-Le Roux puls appliceras vid 1,9, resonansfrekvensen för β-CH 2 av GABA, och 4,7 ppm omväxlande med 7,5 och 4,7 ppm. Ytterligare vatten tryckning använder variabel effekt med optimerade avslappnings fördröjningar (ånga) och yttre volym suppression, OVS 50 anpassades för den humana 3 T-systemet och införlivas före MEGA-PRESS och används för att undertrycka vatten och för att förbättra lokalisering av VOI. När den selektiva pulsen appliceras vid 1,9 ppm, är resonansen vid 1,9 ppm och resonanser inom bandbredden av pulsen inverterad orsakar omfokusering av γ-CH 2 resonans av GABA ("EDIT ON"). När den selektiva pulsen appliceras vid 7,5 ppm, den vanliga spectrum vid T E i 68 ms erhålles ("SORTERA OFF") med den γ-CH 2 resonans av GABA fasmodulerad. Subtraktion av signaler från alternativa skannar ger selektiv observation av yttre linjer av GABA triplett och annullering av den totala kreatin (kreatin + fosfokreatin) resonans ("DIFF"). På grund av att bandbredden för inversionspulsen, är ytterligare resonanser för NAA, Glu + Gin, och makromolekyler också observerats. Hela protokollet är indelad i fyra interfolierade förvärv och frekvensen uppdateras inför varje enskild scan för att minimera frekvens drivor på grund av hårdvaran. Den interfolierade förvärv och enkel FID lagring tillåter korrigering av frekvens och fas i efterbearbetning.

    Den analysmetod som beskrivs i protokollet möjliggör beräkning av den bästa passningen av det experimentella spektrum som en linjär kombination av modell-spektra. Modell spektra i grunden uppsättningen för"EDIT OFF" spektra simulerades baserad på densitetsmatris formalism 59 och kända kemiska skift och J kopplingar 60, och bland annat följande: acetylenheten av N -acetylaspartate (Snaa), alanin (Ala), askorbat (Asc), aspartat (Asp ), aspartat-delen av NAA (mNAA), CH 2 grupp av Cr (Cr-CH 2), CH 3 grupp av Cr (Cr-CH2), CH 2 grupp av PCR (PCr-CH 2), CH 3 grupp av PCR (PCr-CH 2), GABA, glukos (Glc), Glu, Gin, glycerofosforylkolin (GPC), glycin (Gly), glutation (GSH), laktat (Lac), myo-inositol (MI), N -acetylaspartylglutamate ( NAAG), fosforylkolin (PCho), fosforyletanolamin (PE), scyllo inositol (SI), och taurin.

    Grunden inställd på "DIFF" spektra genererades från experimentellt uppmätta spektra av fyra 100 mM lösningar av NAA, GABA, Glu, och Gin (600 ml sfäriska glas flasks) med användning av samma parametrar och scanner som för in vivo experiment. Varje lösning innehöll dessutom K 2 HPO 4 (72 mM), KH 2 PO 4 (28 mM), natriumazid (0,1 mM), 3- (trimetylsilyl) -1-propansulfonsyra-natriumsalt (TSP; 2 mM), formiat ( 200 mM, tillval), och destillerat vatten. Den grund som spektra erhölls vid fysiologisk temperatur av 37 ° C, och alla ansträngningar gjordes för att minimera kyla (~ 1 ° C inom 15 förvärvs) genom förvärmning av fantomer i en stor vattentank innan du placerar var och en i en mindre vatten -filled isolerat plastbehållare, som placerades i spolen. Temperatur och pH är särskilt viktiga i spektroskopi eftersom de påverkar det kemiska skiftet av metaboliterna. Dessutom, för både "EDIT OFF" och "DIFF" spektra, inkluderat grund sätter en metabolit-nollas makromolekylära spektrumet experimentellt mätt från 10 individer från occipital cortex använderinversion-återhämtning (inversion tiden T I = 760 ms) teknik med hjälp av samma parametrar som den vanliga MEGA-PRESS förvärvet (utom för T R = 2.7 s) 61.

    Phantom Testning
    Testa proceduren på en 100 mM GABA fantom med och utan TFF stimulator som kommer att användas på deltagarna med de exakta scanner och sekvensparametrar rekommenderas starkt innan den första deltagaren som studeras. Förfarandet bör omfatta en localizer sekvens, en anatomisk sekvens (dvs MPRAGE), en linjebredd scan och 16 "EDIT ON" och "EDIT OFF" genomsökningar. Detta bör upprepas om stimulator, stimuleringsparametrar eller skannrar ändras. För att undersöka förekomsten av artefakter i signalen, bör man se över spektra för ändringar i SNR med och utan TFF simulator, förekomst av spikar och brus vid vissa frekvenser, och SNR-värden och någon viktig artefakt på anatomiska imaGes.

    Eventuella ändringar i protokollet
    1 H-MRS Parametrar
    För att förvärva metabolitkoncentrationer använder ett H-MRS, är det nödvändigt att lokalisera en specifik region och excitera signaler i denna volym 35. I föreliggande dokument har förfarandet för placering av en enda VOI över vänster M1 beskrivs. Däremot kan många olika modifieringar av protokollet tillämpas. Framgångsrik mätning av metabolitkoncentrationer har visats i olika kortikala och subkortikala regioner, till exempel prefrontala cortex 62, hippocampus 63, lillhjärnan striatum och pons 64, syncentrum 66, och hörselbarken 67. Storleken på VOI kan också skilja sig åt som en funktion av det intressanta området, men volymen varierar normalt mellan 3 och 27 cm 3 68. Det är dock svårt att få koncentrationen av lågprisflyg koncentrations metaboliter Such som GABA från voxlar mindre än 20 cm 3. En viktig fråga är att se till att undvika kontakt VOI med skallbenen, hjärnhinnor och extra-cerebral cerebrospinalvätska. I mindre hjärnor, kan VOI inkludera en del av den vänstra laterala ventrikeln. I detta fall är införandet av ventrikeln föredra över införandet av skallbenen.

    Dessutom, beroende på den valda förvärvssekvens, olika metaboliter kan kvantifieras 69. Tidigare metoder, såsom Point-RE-Löste spektroskopi (PRESS) sekvens 70 och stimulerade eko förvärvsläge (STEAM) 71, tillät inte kvantifiering av GABA vid 1,5 T. Dock, på grund av polariteten specifika effekten av TFF på kortikal upphetsning, är det viktigt att kvantifiering av både excitatoriska (glutamat) och inhibitoriska (GABA) neurotransmittorer. I det nuvarande protokollet, var användningen av MEGA-PRESS spektral redigering sekvens 44,45 visas, Vilket möjliggör kvantifiering av de stora neurokemikalier, inklusive GABA (se figur 6). Andra sekvenser möjliggör GABA kvantifiering, såsom ultrakorta TE MRS och J -resolved MRS, har utvecklats under de senaste åren (se 41 för en översikt).

    Slutligen, eftersom metabolitkoncentrationer brukar uttryckas som ett förhållande i förhållande till en annan metabolit (relativ koncentration), är valet av referens metaboliten mycket viktigt, och särskilt i studier med kliniska populationer 69. De vanligaste referens metaboliter TCR och NAA, eftersom deras koncentrationer har visat sig vara relativt stabil i den mänskliga hjärnan. Det bör noteras att det är också möjligt att använda en absolut kvantifiering av metaboliter, som kräver att referera till antingen en extern (t ex, streckade linjer) eller intern signal (t.ex. vatten-signal) 68. Användningen av en intern referens vatten kräver en extrasteg av vävnad korrigering eftersom vatten koncentration och avslappning egenskaper de skiljer sig åt mellan grå, vit substans och cerebrospinalvätska (CSF). 72 Korrigeringsvävnaden kan utföras antingen genom att använda den beräknade vävnadssammansättning i VOI för alla deltagare eller använda ämnesspecifik vävnadssammansättning från segmentering 73. Dessutom bör det noteras att TFF bär den teoretiska risken för att inducera ödem, vilket kan ha en liten påverkan på vattenkoncentrationer. Men Nitsche och medarbetare 74 direkt bedömde denna särskilda oro och visade inga tecken på ödem efter TFF på frontala cortex. Därför är användningen av en vatten referens betraktas som en möjlig lösning.

    TFF Parametrar
    Olika elektroder storlekar kan användas 9 beroende på region av stimulans och den önskade focality stimulerings 75,76. Da Silva och medarbetare 56 1 H-MRS en användbar teknik som kan användas för att verifiera de underliggande verkningsmekanismer av specifika TFF protokoll som har visat sig förbättra symtomen i olika kliniska populationer. Elektrod positionering och varaktighet stimulering kan modifieras för att undersöka effekterna av dessa specifika TFF-protokoll, såsom de som används vid behandling av smärta, depression, tinnitus, Parkinson, migrän, och alkoholmissbruk (se 77 för en beskrivning av de protokoll ). Det bör också noteras att om impedansen nivån är över 20 kQ, kommer enheten inte att stimulera och visa en impedans felmeddelande på skärmen. Olika faktorer som kan orsaka en hög impedans innefattar: 1) otillräcklig mängd av ledande pasta på elektroderna; 2) otillräckligt tryck på elektroderna; 3) dåligt samntact med hårbotten (orsakad av hår); 4) förtjockning av hårbotten på grund av håravfall; 5) problem med anslutningar; 6) problem med ledningar; (7) problem med stimulator; och 8) problem med elektroder.

    Det bör också noteras att lokalisering av primära motoriska cortex för TFF kan göras mer exakt. I det nuvarande protokollet, är det 10/20 Anläggning som används, vilket kan medföra viss förskjutning mellan högsta elektriska fält projektion och faktisk representation av M1 inom precentral gyrus. Ett möjligt sätt att kringgå detta problem är att använda transkraniell magnetisk stimulering för att exakt lokalisera handen representation i M1 genom TMS-inducerad muskelsvar. Tillgång till en TMS enhet i närheten av MR-scannern kan begränsa denna möjlighet.

    Säkerhet för TFF och 1 H-MRS
    Säkerhet för TFF
    Flera studier har visat att TFF ären säker neuromodulering teknik producerar endast mindre negativa effekter på både icke-kliniska och kliniska populationer 10. I själva verket har inget fall av epileptiskt anfall någonsin rapporterats följande TFF 10. Men säkerheten för TFF har ännu inte undersökts på barn och gravida kvinnor 78.

    MR kompatibla material
    Försiktighet bör iakttas vid stimulering i en MR-scanner. Allt material förs in i MR rum måste vara MR-kompatibel (se figur 1). På grund av den möjliga interaktionen mellan den elektriska ström som produceras av TFF och MR-scannern bör TFF alltid vara påslagen, och elektroderna ska vara ansluten, under MR-sekvenser som beskrivs i detta protokoll. Lande av trådarna under huvudet polen kan producera artefakter och störningar i signalen. Dessutom kan felaktig anslutning av trådarna potentiellt producera en strömstyrka nog att bränna deltagaren <sup> 79. Slutligen är det viktigt att aldrig koppla elektroderna medan strömmen flyter då detta kan leda till oönskade högspänningsstimulering.

    TFF-MRS Teknik
    Använda TFF i samband med MRS ger möjlighet att bättre förstå mekanismen bakom modulering av hjärnaktivitet med denna relativt nya neuromodulering teknik. Dock bör vissa begränsningar av tekniken tas upp. Det första är de elektroder som används i TFF är vanligtvis ganska stor och effekterna av stimulering tros täcka ett brett rumsliga delen av hjärnvävnad. Tillsammans med det faktum att MRS förvärvet är begränsad till en liten voxel av intresse, TFF-MRS tillåter endast för bedömningen av rumsligt avgränsade effekter trots förmodad omfattande modulering av hjärnans retbarhet. Ett möjligt sätt att kringgå detta problem är att använda multipla voxlar av intresse fördelade över hela hjärnan. Detta kommer dock att SIGligt öka varaktigheten av den experimentella sessionen, som redan är en stor begränsning av föreliggande teknik. Ja, när man överväger deltagare förberedelser, pre-TFF MRS, TFF ingripande och efter TFF MRS, en hel session kan lätt vara upp till två timmar. Duration kan också öka om man vill kartlägga tidsförloppet för TFF effekter på metabolit koncentration.

    En viktig fråga i samband med hela experimentet är möjligheten att elektrodimpedansen kommer att öka efter deltagaren i skannern. Sedan TFF lätt kan börja mer att 45 minuter efter elektrodplacering, finns det en risk att de stimulerande elektroder gradvis förlorar anslutning till deltagarens hårbotten om pasta ansökan inte är optimal och elektroder inte hålls tätt nog. Om impedansen når mer än 20 kW, kommer stimulering inte möjlig och deltagaren måste tas bort från skannern för att lösa problemet. Sedan the beskrivet förfarande innebär flera scanning av samma område före och efter TFF, ta bort deltagaren från skannern kan skapa viktiga förskjutning av voxel av intresse. Det är därför mycket viktigt att testa impedans omedelbart före skanning och att ta stor omsorg vid installation elektroder.

    Teoretiskt skulle det nuvarande flödet av TFF producera artefakter i MR-signalen. Antal och medarbetare 80 undersökt detta specifika problem genom att mäta effekten av olika TFF villkor (med och utan elektroder, med och utan stimulering, etc.) om kvaliteten på funktionella magnetresonansbilder. Men så vitt vi vet, det finns artefakter i spektroskopi signalen på grund av förekomsten av TFF-enheten i skannern har ännu inte bedömas.

    Slutligen bör man vara försiktig när det gäller att motstånden i elektrodkablar. MR-fältet kan skada motstånd, således preventing stimulering. Som en försiktighetsåtgärd bör motståndet testas utanför skannermiljö inför varje MRS session. Dessutom kan en impedans på mer än 20 kW leda till hudreaktioner och hög impedans kan återspegla ett begynnande eller verkliga problemet med stimulatorn. Därför bör stimulatorn kontrolleras noggrant innan varje deltagare och impedansnivåerna kontrolleras utanför scannern rummet inför varje MRS session.

    Kombinerad TFF och 1 H-MRS är ett kraftfullt verktyg som ger ett kvantitativt mått på effekten av kliniskt använda behandlingar på hjärnans ämnesomsättning. Eftersom den fysiologiska mekanismen för TFF effekter fortfarande dåligt kända, finns det ett behov av multimodala metoder som kan belysa dessa processer. Med den senaste tidens uppsving i intresset för TFF som ett kliniskt verktyg för patologier som stroke 27,30,31 och depression 81, är det tydligt att kombinationen av TFF med MRS kan vara en viktigverktyg för att bättre förstå de terapeutiska effekterna av TFF. Vidare kan TFF-MRS fungera som ett tidigt verktyg för att avgöra vilka patienter som har en bättre chans att svara kliniskt med TFF. Om en sådan markör hittas, kan TFF-MRS användas som ett screeningtest innan inskrivning patienter i ett TFF ingripande.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Författarna har ingenting att lämna ut.

    Acknowledgments

    Detta verk har finansierats med bidrag från den kanadensiska Institutes of Health Research och naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada. ST fick stöd av ett Vanier Kanada Graduate stipendium från den kanadensiska Institutes of Health Research. MM erkänner stöd från Biotechnology Research Center (BTRC) bevilja P41 RR008079 och P41 EB015894 (NIBIB) och NCC P30 NS076408.

    Vi vill tacka för Romain Valabrègue (Centre de NeuroImagerie de Recherche - CENIR, Paris, Frankrike) och Brice strecksatsen (Centre Recherche de l'Institut Universiatire de Gériatrie (CRIUGM), Montréal, Kanada, Commissariat à l'énergie atomique et aux Energies alternativ (CEA), Paris, Frankrike) för att utveckla processverktyg, och Edward J. Auerbach (Center för Magnetic Resonance forskning och Institutionen för radiologi, University of Minnesota, USA). Mega-PRESS och FASTESTMAP sekvenser utveckladesav Edward J. Auerbach och Małgorzata Marjańska och tillhandahölls av University of Minnesota under en C2P avtal.

    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