Estimulación simultánea de la corriente alterna transcraneal y resonancia magnética funcional

Behavior
 

Summary

La estimulación transcraneal de la corriente alterna (tACS) es una herramienta prometedora para la investigación no invasiva de las oscilaciones cerebrales, aunque sus efectos no son completamente comprendidos. Este artículo describe una configuración segura y confiable para aplicar tACS simultáneamente con imágenes de resonancia magnética funcional, lo que puede aumentar la comprensión de la función cerebral oscilatoria y los efectos del tACS.

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Williams, K. A., Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Weinrich, C. A., Dechent, P., Wilke, M. Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (124), e55866, doi:10.3791/55866 (2017).

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Abstract

La estimulación transcraneal de corriente alterna (tACS) es una herramienta prometedora para la investigación no invasiva de las oscilaciones cerebrales. TACS emplea la estimulación específica de la frecuencia del cerebro humano a través de la corriente aplicada al cuero cabelludo con electrodos superficiales. La mayoría del conocimiento actual de la técnica se basa en estudios de comportamiento; Por lo tanto, combinar el método con imágenes cerebrales tiene potencial para comprender mejor los mecanismos de tACS. Debido a los artefactos eléctricos y de susceptibilidad, combinar tACS con imágenes cerebrales puede ser un desafío, sin embargo, una técnica de imagen cerebral que es muy adecuado para ser aplicado simultáneamente con tACS es la resonancia magnética funcional (fMRI). En nuestro laboratorio hemos combinado tACS con medidas simultáneas de fMRI para demostrar que los efectos de tACS son dependientes del estado, la corriente y la frecuencia, y que la modulación de la actividad cerebral no se limita al área directamente debajo de los electrodos. Este artículo describe un conjunto seguro y confiableUp para aplicar tACS simultáneamente con la tarea visual de fMRI estudios, lo que puede prestar a la comprensión de la función cerebral oscilatoria, así como los efectos de tACS en el cerebro.

Introduction

La estimulación transcraneal de corriente alterna (tACS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva con promesa de investigar oscilaciones neurales y funciones cerebrales específicas de la frecuencia en individuos sanos, así como estudiar y modular oscilaciones en poblaciones clínicas 1 . Usando dos o más electrodos conductores colocados en el cuero cabelludo, se aplican ondas sinusoidales de baja corriente (1-2 mA pico a pico) al cerebro a una frecuencia deseada para interactuar con las oscilaciones neurales en curso. Los estudios TACS han medido las modulaciones conductuales o cognitivas específicas de la frecuencia y de la tarea, incluyendo, pero no limitadas a, la función motora 2 , el rendimiento de la memoria de trabajo 3 , la somatosensación 4 y la percepción visual 5 , 6 , 7 . La aplicación de corriente alterna de una manera no invasiva también haMejora en los pacientes neurológicos, como la reducción del temblor en la enfermedad de Parkinson 8 , mejoría de la visión en la neuropatía óptica 9 , y una mejor tasa de recuperación del habla, sensorial y motor después del accidente cerebrovascular 10 . A pesar de un número cada vez mayor de estudios que utilizan el tACS para la investigación y la evidencia de su potencial terapéutico en entornos clínicos, los efectos de esta técnica no se caracterizan completamente y sus mecanismos no se entienden completamente.

Simulaciones y estudios en animales pueden proporcionar una visión de los efectos de la estimulación de corriente alterna a nivel de la red celular o neuronal en condiciones controladas [ 11 , 12] , pero dada la dependencia del estado de las técnicas de estimulación efectiva 13 , 14 , tales estudios no revelan el cuadro completo . Combinación de tACS con técnicas de neuroimagenComo la electroencefalografía (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografía (MEG) 18 , 19 , 20 o resonancia magnética funcional (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 pueden informar sobre la modulación de la función cerebral en el nivel de los sistemas. Sin embargo, cada combinación viene con desafíos tecnológicos, principalmente debido a la estimulación de los artefactos inducidos en la medición de las frecuencias de interés [ 15] . Aunque la resolución temporal de la RMf no puede igualar las mediciones de EEG o MEG, su cobertura espacial y su resolución en las regiones corticales y subcorticales del cerebro es superior.

Recientemente, en un estudio combinado tACS-fMRI, demostró que los efectos de tACS en el nivel de oxigenación de la sangre dEpendent (BOLD) medida con fMRI son tanto la frecuencia y la tarea específica, y que la estimulación no necesariamente ejercer su mayor efecto directamente debajo de los electrodos, pero en las regiones más distantes de los electrodos [ 22] . En un estudio posterior, se investigó el efecto de la posición del electrodo tACS y la frecuencia en la función de la red utilizando la amplitud de las fluctuaciones de baja frecuencia y de estado de reposo conectividad funcional, incluyendo el uso de semillas de correlación de las regiones más directamente estimuladas, Simulaciones Más notablemente en este estudio, la estimulación alfa (10 Hz) y gamma (40 Hz) a menudo provocó efectos opuestos en la conectividad de la red o en la modulación regional [ 23] . Además, la red de estado de reposo más afectada fue la red de control fronto-parietal izquierda. Estos estudios ponen de relieve la posibilidad de utilizar fMRI para determinar los parámetros óptimos para el tratamiento eficaz, controlado stiMulación. Además, contribuyen a evidenciar que, aparte de los parámetros controlados, tales como la condición de la tarea y el tiempo, la frecuencia de estimulación y las posiciones de los electrodos, hay factores específicos del sujeto que influyen en el éxito del tACS. Ejemplos de características del sujeto que se traducen como variables incontrolables en la optimización de los parámetros de estimulación son la conectividad funcional intrínseca, frecuencia de pico de oscilación endógena ( por ejemplo , frecuencia alfa individual) y cráneo y grosor de la piel 25 . Teniendo en cuenta el actual cuerpo de literatura relativa a tACS, más estudios combinando tACS con mediciones neurales como la neuroimagen son necesarios para establecer procedimientos completos para las técnicas de estimulación cerebral eficaz.

En este sentido, describimos una configuración segura y confiable para los experimentos que aplican tACS simultáneamente con fMRI de una tarea visual, centrándose en aspectos de la configuración y ejecución que producen con éxito el tAC sincronizadoS con la adquisición libre de artefactos de los datos fMRI.

Protocol

Realizar todos los experimentos de acuerdo con las directrices del comité de ética institucional. Para todos los estudios mencionados en este manuscrito, todos los procedimientos se realizaron de acuerdo con la declaración de Helsinki y aprobados por el Comité de Ética local del Centro Médico Universitario de Göttingen.

1. Estimulación y configuración de la computadora antes del experimento

  1. Configuración del estimulador
    NOTA: El estimulador usado para este experimento de fMRI es un sistema compatible con resonancia magnética (RM) diseñado especialmente con una caja de filtro interna con seguridad MR, una caja de filtro externa, resistencias de seguridad, cables acoplados y materiales seguros para MR. Algunas instrucciones pertenecen específicamente a las instrucciones del fabricante, y éstas pueden variar cuando se usa otro estimulador, así que tenga cuidado de seguir las instrucciones de equipo proporcionadas por el fabricante que pueden constituir excepciones a esta configuración. La Figura 1A muestra el estimuladorComponentes utilizados en esta configuración experimental.
    1. Navegue por el menú del estimulador para programar los parámetros experimentales deseados (consulte el manual del usuario para más detalles). Por ejemplo, para una frecuencia de estimulación de 10 Hz, el programa 10 ciclos de tiempo de rampa de subida / bajada de 1 s, 300 ciclos sinusoidales para 30 s de estimulación, intensidad de corriente igual a 1,000 μA y modo de disparo repetitivo, A menos que se indique lo contrario. Guarde el programa para cargar cada vez que se ejecute el experimento.
    2. Conecte la salida del disparador de la computadora de la presentación del estímulo al estimulador usando un cable de BNC.
    3. Coloque un cable de red de área local (LAN) no magnético y blindado a través del tubo de guía de ondas de radiofrecuencia (RF) desde el interior de la sala de escáner. Para evitar el acoplamiento capacitivo resonante, asegúrese de que el cable está libre de bucles y colocado a lo largo de la pared de la sala, llevando a la parte posterior del diámetro interior del imán ya lo largo del carril derechoG en el interior del orificio, llevando a la posición de la caja de filtro interna (vea la Figura 1C y la nota de seguridad en el Paso 2.4 con respecto a la posición del cable). Asegure el cable con cinta colocada intermitentemente a lo largo de la misma.
  2. Cargue el programa de estímulo visual en un ordenador de presentación designado que esté separado del ordenador de control del escáner. Como se representa en la figura 1C , conecte el ordenador de presentación a la salida del disparador del escáner a través de un convertidor óptico a eléctrico ya un dispositivo de salida ( es decir , un proyector) que se coloca en una caja blindada o fuera de la sala del imán. Utilice espejos no magnéticos para dirigir la proyección sobre una pantalla dentro del orificio del escáner.

2. Asunto Llegada y Preparación

  1. Los sujetos reclutados antes de la prueba para cualquier contraindicación para la exploración por RM ( por ejemplo , sin implantes de metal, sin claustrofobia, requisitos previos específicos del experimento) comoAsí como para tACS ( por ejemplo , historia de convulsiones, dolores de cabeza crónicos, embarazo) 26 , 27 .
  2. Cuando el sujeto llegue, instruya al sujeto acerca de los detalles del experimento fMRI y describa la experiencia que espera ( por ejemplo , estímulo visual, hormigueo o fosfenos del tACS, instrucciones de tareas especiales).
  3. Coloque los electrodos de acuerdo con el sistema EEG 10-20 y la preparación del estimulador.
    1. Usando una cinta métrica, mida la distancia en la cabeza del sujeto desde el nasion a la inión, y de oreja a oreja, sobre la parte superior de la cabeza. La intersección de ambas longitudes da la posición en la cabeza para Cz, de acuerdo con el sistema de EEG 10-20. Marca el punto para Cz en el cuero cabelludo usando un marcador.
    2. Coloque una tapa EEG sin electrodos en la cabeza del sujeto, con Cz alineado con la marca en el cuero cabelludo del sujeto, determinar la ubicación deseada de los electrodos y marcarlos.
      NOE: Es importante que todos los experimentadores usen el mismo sistema de colocación para asegurar la consistencia a través de todos los experimentos; El sistema EEG 10-20, que se utiliza comúnmente en experimentos de estimulación transcraneal, tiene pautas específicas para mantener la colocación precisa de los electrodos 26 , 28 .
    3. Usando almohadillas de alcohol y algodón, limpie el cabello y la piel sobre y alrededor de los puntos marcados en el cuero cabelludo del sujeto; Eliminar aceites y productos para el cabello.
    4. Extienda un poco de gel en los electrodos de goma y presione cada electrodo firmemente en los lugares marcados y limpios en el cuero cabelludo del sujeto, asegurando el contacto completo del electrodo al gel conductor con el cuero cabelludo con impedancia mínima.
    5. Utilizando un cable LAN de blindaje de repuesto, conecte las cajas de filtro y los cables seguros de MR al estimulador ya los electrodos de caucho como se muestra en la Figura 1A .
    6. Encienda el estimulador y pruebe la impedancia (consulte laManual para más detalles). Si la impedancia no es inferior a 20 kΩ, presione los electrodos en el cuero cabelludo o agregue gel de electrodo según sea necesario hasta que se cumpla esta directiva de impedancia.
    7. Cuando la impedancia es inferior a 20 kΩ, permita que el estimulador produzca corriente durante unos segundos para familiarizar al sujeto con la experiencia sensorial. Pregunte al sujeto acerca de la percepción sensorial durante esta prueba, incluyendo si existe sensación de hormigueo y se puede soportar, y la extensión o ubicación de los fosfenos durante la estimulación.
    8. En este punto, el sujeto está preparado para moverse al lecho del escáner. Dejando el cable del electrodo enchufado en los electrodos de goma del sujeto, desconecte el estimulador, el cable de LAN de repuesto y las cajas de filtro externas e internas.
    9. Conecte la caja del filtro externo al cable LAN que pasa a través de la guía de ondas al escáner MR, dejando como poco expuesto el cable LAN fuera de la guía de onda como sea posible (vea la Figura 1B ). Conecta elEstimulador a la caja de filtro exterior usando el cable estimulador y comprobar que el estimulador está conectado a la salida de disparo de la computadora de presentación.
  4. Prepare el sujeto dentro del escáner MR.
    NOTA: La Figura 1C muestra la configuración tACS-fMRI completa durante el experimento. Es fundamental disponer los cables y la caja del filtro interno según se especifica, con el cable del electrodo dispuesto en un ángulo de aproximadamente 90 ° con respecto al plano de la cama del escáner y la caja del filtro interna descansando sobre la baranda del escáner en el lado derecho del escáner aburrir. El no hacerlo puede dañar el circuito de seguridad del cable del electrodo; Esta configuración se aplica tanto para las bobinas RF abiertas como cerradas.
    1. Después de asegurarse de que el sujeto está libre de materiales magnéticos y listo para el experimento de MRI, llevar al sujeto a la sala del escáner.
    2. Proporcione tapones para los oídos para protección auditiva al sujeto e instruya al sujeto a mentirEn la cama del escáner, colocando almohadas alrededor y debajo de la cabeza y debajo de las piernas para mayor comodidad y para reducir el movimiento. Al colocar las almohadas detrás de la cabeza del sujeto, preste especial atención para colocar el cable del electrodo plana y en una posición que sea cómoda para el sujeto para que se acueste durante la duración del experimento.
    3. Dé la bola de alarma y la caja de botón de respuesta segura de MR al sujeto para que se mantenga tal que se requiere un movimiento mínimo para empujar un botón para responder en el experimento.
    4. Asegure la bobina de la cabeza RF sobre la cabeza del sujeto con un espejo acoplado de manera que el sujeto pueda ver la pantalla de proyección reflejada en la orientación correcta.
    5. Fije temporalmente el extremo libre del cable del electrodo que viene de los electrodos de goma a un lugar en la bobina principal de tal manera que no se atrapa cuando la cama se mueve. La Figura 1D muestra la cabeza del sujeto colocada en la bobina principal con almohadas, espejo y cable tACS en el lugar bAntes de mover el lecho a la bobina de cabeza central para la obtención de imágenes. La caja de filtro también se muestra colocada sobre la barandilla del escáner, como un ejemplo de donde debe estar en relación con la bobina principal cuando el lecho del escáner está en la posición de medición.
    6. Mueva el lecho del escáner en la posición de medición. Desde el extremo posterior del orificio del escáner, conecte el cable de electrodo de los electrodos de goma a la caja de filtro interna que se conecta al cable LAN, como se muestra en la Figura 1C . Para evitar el exceso de movimiento durante el escaneo, asegure los cables y la caja del filtro a lo largo del pasamanos del escáner a la derecha del orificio con cinta adhesiva y bolsas de arena. Coloque la pantalla del proyector en el extremo trasero del orificio del escáner.
    7. Pruebe la impedancia del estimulador una vez más para asegurarse de que todas las conexiones entre los cables, las cajas de filtro y el estimulador estén hechas correctamente.

3. RM Escaneo y Experimento

  1. Antes de que empiece la exploración, compruebe que laEl ordenador de presentación se registra cuando el sujeto empuja los botones de respuesta.
  2. Adquisición de datos anatómicos ponderados T1 de alta resolución ( p . Ej. , Disparo tridimensional turbo rápido de ángulo bajo, tiempo de eco (TE): 3,26 ms, tiempo de repetición (TR): 2,250 ms, tiempo de inversión: 900 ms, Resolución isotrópica de 1 x 1 x 1 mm 3 ).
    1. Después de la adquisición, ajuste el contraste y la ventana en la RM anatómica a extremos bajos y altos para detectar visualmente el ruido durante la exploración que puede resultar de la configuración del estimulador. Continúe este monitoreo visual del ruido simultáneamente con la adquisición de imágenes funcionales.
  3. Inicie el experimento en la computadora de presentación, listo para comenzar con el disparador del escáner, e inicie el estimulador para esperar el disparador de salida de la computadora de presentación. Deje el estimulador y conectado a través del experimento fMRI para evitar diferencias en la relación señal / ruido temporal (tSNR) entre el estimuladorCondiciones de encendido y apagado 22 .
  4. Iniciar la exploración fMRI ( p . Ej. , Imagen ecocardiográfica de eco de gradiente de dos dimensiones T2 *, TE: 30 ms, TR: 2.000 ms, ángulo de inclinación 70 °, 33 rebanadas de 3 mm de grosor, Una resolución en el plano de 3 x 3 mm 2 , 210 volúmenes durante siete minutos de exploración), lo que desencadena el inicio del experimento en el ordenador de presentación. Supervise la pantalla del estimulador para garantizar que la corriente se envía a los tiempos deseados a lo largo de las pruebas experimentales.

4. Conclusión del experimento

  1. Una vez finalizado el experimento, desenchufe la caja de filtro interna del cable conectado a los electrodos de goma antes de mover el escáner, retire el sujeto del escáner y retire los electrodos dejando al sujeto libre para lavarse el cabello.
  2. Apague el estimulador y enchúfelo para recargarlo. Limpie los electrodos de goma con agua para su nexT uso.

Representative Results

La Figura 2 y la Figura 3 muestran imágenes representativas adquiridas para pruebas de ruido de equipo en un fantasma y en un sujeto humano, respectivamente. En cada fila, la Figura 2 y la Figura 3 muestran rebanadas axiales representativas de un volumen adquirido o mapa calculado, etiquetados en consecuencia por encima de la fila. La imagen más a la derecha en cada fila es una representación sagital del volumen correspondiente o mapa calculado, que indica las ubicaciones de las hileras axiales con líneas azules. Aparte de la primera fila, que ilustra la colocación del electrodo en blanco, el volumen se superpone en una imagen ponderada T1 en cada figura. Observe que no hay distorsión o pérdida de señal de los electrodos en las imágenes ponderadas en T1. La segunda fila de la Figura 2 muestra datos representativos de MRI funcionales adquiridos con la instalación tACS en su lugar y giradaen. En el espectro de la figura 2 , observe que hay alguna caída de señal y distorsión debido a los electrodos, sin embargo, la fila 2 de la figura 3 muestra que estas distorsiones no se extienden más allá del cuero cabelludo en un sujeto. Las filas tres y cuatro de la figura 2 muestran mediciones de ruido en el volumen, que se adquieren usando los mismos parámetros que los datos fMRI, pero sin un impulso de excitación RF. Las imágenes muestran el nivel de ruido en la sala del escáner y del hardware MR durante la exploración. La fila tres es una medida de ruido con tACS apagado, y la fila cuatro es una con tACS encendido. En la quinta y sexta filas de la Figura 2 están los mapas tSNR para ejecuciones funcionales con la configuración tACS y el estimulador apagado y encendido, respectivamente. Los mapas TSNR calculados a partir de datos adquiridos en el sujeto humano aparecen en la Figura 3 filas tres, con tACS apagado, y cuatro, con tACS encendido. Observe que no hay diferencias visiblesIntensidad en la comparación entre las condiciones de estimulación. Como se demostró en un estudio anterior, el equipo tACS produce una caída de alrededor del 5% en tSNR en imágenes en comparación con las adquiridas sin la configuración tACS, sin embargo, la tSNR debe permanecer estable a través de la estimulación de encendido y apagado condiciones [ 22] .

La figura 4 representa una serie de imágenes que demuestran la pérdida de señal que puede ocurrir cuando se utilizan electrodos no compatibles con MR. Las rebanadas de un volumen fMRI adquirido de un sujeto con electrodos que pueden tener algunas contaminaciones metálicas muestran una caída de señal por debajo del electrodo colocado aproximadamente sobre la corteza motora primaria, como se indica con círculos rojos.

La Figura 5 muestra los resultados de un experimento que prueba los efectos de la intensidad de corriente de 16 Hz Cz-Oz tACS en la señal BOLD en sujetos cuya única t Preguntar es la fijación cruzada central. A lo largo del experimento, los períodos de 12 segundos de tACS se intercalaron con períodos de no estimulación que varían de 24 a 32 segundos. En un orden pseudo-ordenado, se aplicó tACS con una intensidad de corriente diferente (500 μA, 750 μA, 1.000 μA, 1.500 μA) en cada una de las cuatro ejecuciones. La Figura 5A muestra los promedios relacionados con eventos de la señal BOLD para clusters estadísticamente significativos, con efecto creciente sobre la señal BOLD con intensidad de corriente aumentada. Adicionalmente, la Figura 5B muestra mapas de puntuación T específicos de intensidad de corriente que ilustran la especificidad regional de efectos así como el aumento del efecto espacial con una intensidad de corriente aumentada. También vale la pena señalar que la actividad BOLD en las regiones frontales se ha cambiado significativamente, lo que demuestra que las modulaciones no siempre están directamente debajo de los electrodos. Para más detalles, véase Cabral-Calderin y colegas [ 22] .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> La figura 6 muestra los resultados representativos de un experimento que prueba la dependencia de la frecuencia de los efectos del tACS durante una tarea de percepción visual.Los sujetos informaron la dirección percibida de una esfera giratoria biestable. A la misma hora, se aplicó tACS con electrodos colocados en Cz y Oz en una de tres frecuencias de estimulación (10 Hz, 60 Hz o 80 Hz) en cada una de las tres sesiones separadas.La Figura 6A ilustra la temporización del experimento con presentación visual y los períodos tACS entre Bloques de fijación cruzada central Los mapas de interacción de los efectos y la condición de TACS y las pruebas post-hoc del grupo muestran efectos específicos de frecuencia en la corteza parietal, con una disminución de tACS de 10 Hz y una señal de 60 Hz ( Figura 6B ) Mapas de efectos específicos de 60 Hz tACS que se extiende más allá de la corteza parietal para incluir algunos occipiY las regiones frontales. Para detalles de experimentos y análisis, véase Cabral-Calderin, et al. 22 .

Figura 1
Figura 1: Configuración de TACS en el escáner. ( A ) Configuración TACS con todos los elementos necesarios. El estimulador y los cables están conectados fuera de la sala blindada MR. También se muestra la tapa del EEG, la cinta métrica y el gel conductor usados ​​para la colocación del electrodo. ( B ) Caja de filtro externa y estimulador colocados fuera de la sala del escáner. El cable de LAN (no visible en la figura) proviene de la sala del escáner a través del tubo de guía de ondas de RF y se conecta a la caja de filtro externa, con el menor cable de LAN expuesto fuera de la sala de escáner como sea posible. El estimulador debe conectarse a la caja del filtro exterior, así como al cable de salida del gatillo de la computadora de presentación. ( C )Entorno del escáner con configuración experimental. Representación de la configuración tACS, incluida la computadora de presentación, la computadora del escáner y la salida del disparador y el proyector. ( D ) Posicionamiento del sujeto para el experimento. Elementos importantes incluyen almohadas, colocación de cable, espejo de visión y bobina de cabeza. La caja del filtro se coloca en la barandilla del escáner como un ejemplo de colocación dentro del orificio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: Evaluación de Calidad MR Imágenes Adquiridas de un Fantasma. Fila 1: Rodajas axiales anatómicas de alta resolución de imagen T1 con sus posiciones indicadas por líneas azules en una hendidura sagital a la derecha (también visto en cada fila siguiente). En el plano sagital, las posiciones de los electrodos son ilustrativas Clasificado en blanco. Fila 2: Rebanadas de imágenes echoplanares ponderadas T2, con flechas magentas que indican la caída de la señal y la distorsión debidas a electrodos y / o gel de electrodos. En el plano sagital, el posicionamiento del volumen correspondiente se muestra como una superposición (también visto en cada fila siguiente). Fila 3: Rodajas de imagen de ruido adquiridas con parámetros experimentales de fMRI y sin pulso de excitación de RF mientras la configuración tACS está en su lugar y encendida, pero no estimulante. Fila 4: Imagen de excitación sin RF obtenida con la instalación tACS en su lugar y estimulador a 16 Hz. Fila 5: Mapa TSNR calculado a partir de los datos adquiridos con la instalación tACS en su lugar y encendida, pero no estimulante. Fila 6: Mapa TSNR calculado a partir de los datos adquiridos con la instalación tACS en su lugar y estimulando a 16 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Evaluación de la calidad MR Imágenes adquiridas de un sujeto. Fila 1: Rodajas axiales de imagen anatómica de alta resolución con sus posiciones indicadas por líneas azules en una hendidura sagital a la derecha (como se ve en cada fila). Las posiciones de los electrodos se ilustran en blanco en la vista sagital. Fila 2: cortes de imagen echoplanares ponderados T2 * que no muestran pérdida de señal debido a electrodos y / o gel de electrodos. En el plano sagital, el posicionamiento del volumen correspondiente se muestra como una superposición (también visto en cada fila siguiente). Fila 3: Mapa TSNR calculado a partir de los datos adquiridos con la instalación tACS instalada y encendida, pero no estimulante. Fila 4: Mapa TSNR calculado a partir de los datos adquiridos con la configuración tACS en su lugar y estimulando a 16 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 4: Salida de señal debido a un electrodo contaminado. Rebanadas de un volumen de fMRI adquirido de un sujeto usando un electrodo contaminado colocado aproximadamente sobre la perilla de la mano de la corteza motora. Los círculos rojos indican regiones por debajo del electrodo con salida de señal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5: Efecto de la intensidad de corriente en la modulación tACS de la señal BOLD. ( A ) F-score Mapas que muestran el efecto principal de la intensidad de la corriente sobre el efecto de 16 Hz tACS. Un efecto principal significativo de la intensidad de la corriente en un rANOVA unidireccional Factor: intensidad de corriente (500, 750, 1.000, 1.500 μA)] es evidente. Las gráficas muestran el curso de tiempo promedio relacionado con el evento de la señal BOLD para los períodos tACS-on para cada intensidad de corriente. Las regiones sombreadas indican el error estándar de la media entre los sujetos. MedialFG = giro frontal medial, IPS = sulco intraparietal, IFG = giro frontal inferior, PrC = giro precentral, L = izquierda, R = derecha, * grupo no corregido para comparaciones múltiples. ( B ) T-score Mapas mostrando cambios de actividad BOLD durante 16 Hz tACS para cada intensidad de corriente. No se encontró efecto significativo con 500 μA tACS. LH = hemisferio izquierdo; RH = hemisferio derecho. Este cuadro se ha modificado de Cabral-Calderin y otros. 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 6: Efecto del tACS en la señal BOLD en una tarea de percepción visual. ( A ) Representación esquemática del experimento. Estímulo visual y tACS se aplicaron en un diseño de bloque, con 30 s de tACS on-off bloques que se producen durante 120 segundos bloques de presentación del estímulo visual. Cada frecuencia se probó en una sesión diferente. SfM = estructura desde el movimiento. ( B ) TACS Condición y efecto de interacción de frecuencia. F-mapas estadísticos que muestran la importancia en ranova de dos vías [dentro de los factores: tACS (on, off), frecuencia (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] y estimaciones beta para dos grupos representativos en el giro post-central. Las líneas continuas y los asteriscos negros marcan diferencias significativas para las comparaciones post-hoc para los efectos de interacción tACS-on-off de 10 Hz frente a 60 Hz y 10 Hz frente a 80 Hz y asteriscos rojos implican una diferencia significativa para el tACS frente a las pruebas post-hoc. PoC = giro postcentral, IPS = sulcus intraparietal. ( C ) T-score Mapa de 60 Hz tACS. Diferencias significativas comparando el tACS de 60 Hz frente a off. Este cuadro se ha reimpreso de Cabral-Calderin et al. 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Aquí, hemos descrito el procedimiento para una instalación simultánea tACS-fMRI experimento y ejecución utilizando un sistema tACS compatible con MR. Algunos pasos en este procedimiento requieren una atención especial, especialmente con respecto a la configuración del sujeto. El estimulador y la configuración compatibles con MR utilizados en este experimento tienen una impedancia mínima de aproximadamente 12 kΩ con los cables, cajas de filtro y electrodos solamente, y el fabricante recomienda una impedancia mínima de 20 kΩ con electrodos conectados al sujeto; Este requisito depende del producto del estimulador y del fabricante. Cuando se aplican electrodos al sujeto, si la impedancia es demasiado alta, se pueden tomar algunas medidas para reducir este valor además de presionar los electrodos. Por ejemplo, puede ser más fácil cubrir primero los lugares marcados y limpios en el cuero cabelludo con gel de electrodo, incluyendo el cabello, antes de presionar el electrodo sobre el cuero cabelludo. Esto asegurará la dispersión de corriente a través del material no conductor; sin embargo,Tenga cuidado de limitar la cobertura de gel del electrodo aproximadamente a la misma área superficial que los electrodos para dirigir la propagación de corriente a la región deseada de estimulación. Preste especial atención a esto si los electrodos están cerca entre sí, porque la corriente de derivación entre los electrodos puede ocurrir a través del exceso de gel de electrodo contacto. Si el electrodo está en la parte posterior de la cabeza donde el sujeto estará tendido directamente sobre él, se debe tener cuidado especial para colocar almohadas detrás de la cabeza de manera que el sujeto no se sienta incómodo a medida que el experimento continúa; Esta incomodidad puede no ser un problema inicial para el sujeto, sin embargo la experiencia muestra que el dolor surge y aumenta con el tiempo. Además, al igual que con todos los experimentos de fMRI, el movimiento sujeto introduce confusiones problemáticas, por lo que es importante que el sujeto se sienta cómodo con todos los cables y electrodos en su lugar.

El aspecto más importante de la configuración a considerar es el ruido potencialmente introducido enAl entorno MR que puede inducir artefactos de imagen y distorsiones. Antes del experimento, es prudente probar para los artefactos de la imagen con la disposición entera del tACS en el lugar. Se puede utilizar un fantasma esférico normal, fijando electrodos con gel de electrodo. Es importante proporcionar alguna forma de que la corriente se desplace entre electrodos, lo que puede lograrse aplicando una cantidad generosa de gel de electrodo en un trayecto de un electrodo a otro. Ejecute todo el experimento, como se planificó para el sujeto, incluyendo variaciones de parámetros tales como frecuencia y corriente. Durante la sesión de escaneado, ajustar el contraste y la ventana a extremos en el visor de imágenes en el ordenador de control del escáner MR permite una detección visual más fácil del ruido. Cuando se controla visualmente el ruido antes y durante el experimento, el ruido puede ocurrir como picos en la imagen con intensidad alta, patrones en los que no se debe medir la señal, o variar la intensidad con el tiempo, como ejemplos. Adquisición de datos fMRI con la excitación RFN pulsado apagado proporciona información sobre el ruido ambiental del escáner durante el escaneado sin adquirir la señal de imagen real (consulte la Figura 2 ). Esta prueba de ruido se puede hacer en cada sesión de escaneado. Si hay variaciones en el ruido, verifique que todos los cables estén intactos y estén bien conectados al estimulador, electrodos y cajas de filtros. No se deben colocar cables en bucles. El ruido o la distorsión pueden deberse a cables rotos, electrodos con contaminantes metálicos en el caucho (a pesar de ser vendidos como compatibles con MR), y conexiones defectuosas, entre otras posibilidades. El estimulador está accionado por batería para minimizar el ruido eléctrico en la configuración; Asegúrese de que esté completamente cargada antes de cada experimento y de que permanezca encendida y conectada a lo largo del experimento. TSNR en imágenes funcionales se reducirá alrededor del 5% con el estimulador conectado, sin embargo, los valores deben ser estables a través de las condiciones de estimulación [ 22] . Pruebas simultáneas de estimulación eléctrica transcraneal-fMRI oN cadáveres han demostrado que no hay artefactos asociados con la estimulación de corriente alterna, que es una ventaja en comparación con la estimulación de corriente continua [ 30] . Teóricamente, esta falta de artefactos puede ser explicada por una corriente neta de cero en el momento en que se adquiere la imagen [ 30] . Sin embargo, para algunos de los experimentos realizados en nuestro laboratorio, el tiempo de adquisición o TR no es un múltiplo de la frecuencia de estimulación. Después de realizar las pruebas de ruido mencionadas en este protocolo y examinar las imágenes de los artefactos, que no eran visibles, concluimos que cualquier diferencia en la corriente neta desde cero es pequeña y demasiado insignificante para inducir artefactos.

Otro punto crítico para experimentos exitosos es que la computadora de presentación recibe la salida de disparo del escáner y que el estimulador recibe el disparador desde el ordenador de presentación. Antes del experimento, programe el diseño y la sincronización del estímulo visual usando thE software deseado. Este programa debe utilizar disparadores para sincronizar la presentación del estímulo visual con el escáner de RM y el estimulador; Se inicia con un disparador que se emite desde el escáner MR y también envía disparadores de salida al estimulador a los tiempos de estimulación deseados. Una manera fácil de comprobar la comunicación de disparo durante la configuración es utilizar un osciloscopio conectado con un cable BNC a la salida del disparador del escáner, así como la salida de la computadora de presentación. En nuestra configuración, el escáner MR emite un disparo (conmutación) para cada volumen funcional adquirido, y la computadora de presentación envía una señal tal como se programa a través del software de presentación. El análisis de un experimento bien diseñado descansa críticamente en la estimulación debidamente sincronizada.

Algunas etapas de este experimento pueden ser adaptadas según sea necesario para los requerimientos del laboratorio. Por ejemplo, esta configuración describe el uso de un proyector y espejos para la presentación del estímulo visual, sin embargo el estímulo visualTput pueden ser gafas protectoras de cristal líquido o un monitor MR-safe, elegido basado en el experimento y las preferencias o limitaciones del laboratorio. Además, los parámetros de exploración de MRI deben adaptarse al experimento. Vale la pena señalar que se debe prestar atención a la elección apropiada del control experimental para el tACS, aunque no existe una respuesta directa. Una estimulación simulada corta de 30 segundos puede imitar la somatosensación inducida por tACS que disminuye con el tiempo con estimulación prolongada; Sin embargo, algunos estudios muestran que incluso períodos cortos de estimulación pueden inducir el arrastre oscilatorio 12 . Otro posible control que puede utilizarse para tACS es estimular utilizando una frecuencia no efectiva, o, en otras palabras, una frecuencia diferente a la de interés. La excepción aquí sería que la somatosensación y la percepción de fosfeno varían según la frecuencia de estimulación [ 31] . Por último, en relación con las experiencias subjetivas de stimLos fosfenos inducidos por el tACS varían según los individuos, por lo que para captar mejor la variabilidad del sujeto, considere usar un sistema de clasificación detallado para la percepción del fosfeno y pasar algún tiempo con el sujeto describiendo las diversas características de los fosfenos ( por ejemplo , ubicación e intensidad) Puede surgir para que el sujeto pueda evaluar atentamente su experiencia durante la estimulación 32 , 33 .

Los resultados representativos mostrados aquí sugieren que los efectos de tACS son dependientes de la corriente, dependientes de la frecuencia, y que la modulación no se limita a las regiones por debajo de los electrodos, sino que se extiende a regiones distantes, probablemente funcionalmente conectadas. Una limitación de esta técnica es la resolución temporal de fMRI así como de la respuesta BOLD. La adquisición de datos y la respuesta hemodinámica no son tan rápidos como la frecuencia de estimulación o la actividad eléctrica del cerebro, por lo que las interacciones directas con la frecuenciaNo se pueden medir los efectos específicos del tACS. Sin embargo, dado que la mayor parte de la literatura científica de los efectos tACS es de estudios de comportamiento, y que el tACS obviamente afecta a un sistema neural completo y complicado, está claro que los experimentos tACS-fMRI simultáneos tienen mucho que ofrecer para informarnos sobre los efectos tACS en el cerebro. EEG y MEG ofrecen ideas sobre el nivel de resoluciones temporales que coinciden con los de la actividad neuronal. Sin embargo, EEG y MEG sufren de la resolución espacial y las limitaciones de la profundidad cortical o de computación intensiva de fuente de técnicas de reconstrucción. La frecuencia de estimulación y los artefactos armónicos que sobrepasan las señales cerebrales de interés registradas a las mismas frecuencias complican aún más los análisis EEG y MEG. Se han aplicado soluciones innovadoras para abordar algunos de estos desafíos. Helfrich et al. Empleó una técnica novedosa para eliminar el artefacto tACS de datos de EEG utilizando una resta de plantilla de artefacto y el análisis de componentes principales 15 34] . Con el objetivo de aplicar tACS en la investigación para una mejor comprensión de la función cerebral normal y anormal, y eventualmente clínicamente para el diagnóstico o la terapéutica, tACS debe combinarse por separado con EEG, MEG y fMRI para establecer complementariamente las mejores prácticas para los efectos deseados específicos que se pueden adaptar Específicamente a individuos. Cuando se establecen tales prácticas, se pueden realizar investigaciones efectivas para comprender mejor la función de las oscilaciones neurales ( por ejemplo , definir claramente los roles funcionales y las relaciones de las diferentes bandas de frecuencias) y su modulación con tACSPor ejemplo, si el mecanismo se produce a través de arrastre o cambios de plástico 35 ).

Teniendo en cuenta las direcciones futuras, la configuración descrita aquí se adapta a los experimentos de fMRI que estudian la percepción o la cognición, como lo han demostrado el estudio estructura-de-movimiento descrito aquí y otros. Cabral-Calderin y colegas demostraron que la activación en las regiones de la corteza occipital dependía de la tarea y la frecuencia tACS en un video de observación frente a dedo-tapping experimento [ 22] . En un estudio simultáneo tACS-estado de reposo fMRI estudio, Cabral-Calderin y colegas mostraron dependientes de la frecuencia de los efectos de tACS intrínseca sobre la conectividad funcional y el descanso de las redes estatales [ 23] . Vosskuhl et al . Combinado tACS y fMRI para mostrar disminución BOLD durante una tarea de vigilancia visual en la estimulación de la frecuencia alfa individual [ 24] . Alekseichuk y colegas demostraron que los efectos inmediatos de 10 Hz tACS modular la señal BOLD durante una percepción visual de los anillos checkered y cuñas, lo que indica un cambio en el metabolismo neural de una tarea de percepción pasiva [ 36] . Estos estudios prepararon el escenario para los estudios tACS-fMRI simultáneos para investigar los mecanismos funcionales en muchos niveles, desde el metabolismo hasta la cognición. En una etapa tan temprana en el uso del tACS para la investigación traslacional, existe mucho potencial para que los experimentos tACS-fMRI simultáneos aumenten la comprensión tanto de la técnica de estimulación como de la contribución de las oscilaciones a las funciones cognitivas.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Damos las gracias a Ilona Pfahlert y Britta Perl por la asistencia técnica durante los experimentos de imagen funcional y Severin Heumüller por excelente soporte informático. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Herman y Lilly Schilling y el Centro de Microscopía a Nanoescala y Fisiología Molecular del Cerebro (CNMPB).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
None
DC-Stimulator MR NeuroConn, Ilmenau, Germany includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications.
3 tesla Tim Trio MR scanner Siemens, Erlangen, Germany
presentation computer
presentation software (e.g.;, Matlab) The Mathworks, Natick, USA
shielded LAN cable
projector InFocus Corporation, Wilsonville, USA IN-5108
Ten20 Electrode Paste Weaver and Co., Aurora, USA
EEG cap - EASYCAP 32-channel system Brain Products GmbH, Germany
tape measure
marker
pillows
button response box Current Designs, Philadelphia, USA
isopropyl alcohol
cotton pads
tape
MR-safe sand bags Siemens, Erlangen, Germany
MR-safe mirrors Siemens, Erlangen, Germany
MR-safe screen can be built in local machine shop to fit site-specific parameters
E-A-Rsoft ear plugs 3M, Bracknell, UK

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