Samtidig transcranial vekselstrømsstimulering og funksjonell magnetisk resonansimaging

Behavior
 

Summary

Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er et lovende verktøy for ikke-invasiv undersøkelse av hjernens svingninger, selv om virkningen ikke er fullstendig forstått. Denne artikkelen beskriver et sikkert og pålitelig oppsett for å påføre tACS samtidig med funksjonell magnetisk resonansavbildning, noe som kan øke forståelsen av oscillerende hjernefunksjon og effekter av tACS.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er et lovende verktøy for ikke-invasiv etterforskning av hjernens svingninger. TACS benytter frekvensspesifikk stimulering av den menneskelige hjerne gjennom nåværende påført i hodebunnen med overflateelektroder. Den nyeste kunnskapen om teknikken er basert på atferdsstudier; Derfor kombinerer metoden med hjernedimensjon potensial for å bedre forstå mekanismene for tACS. På grunn av elektriske og følsomme artefakter kan kombinasjon av tACS med hjernedannelse være utfordrende. Imidlertid er en hjerneavbildningsteknikk som er velegnet til å brukes samtidig med tACS, funksjonell magnetisk resonansbilding (fMRI). I vårt laboratorium har vi kombinert tACS med samtidige fMRI-målinger for å vise at tACS-effekter er tilstands-, strøm- og frekvensavhengige, og at moduleringen av hjernevirksomhet ikke er begrenset til området rett under elektrodene. Denne artikkelen beskriver et sikkert og pålitelig settOpp for å anvende tACS samtidig med visuelle oppgaver fMRI-studier, som kan låne til forståelse av oscillerende hjernefunksjon, samt effektene av tACS på hjernen.

Introduction

Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er en ikke-invasiv hjernestimuleringsteknikk med løfte om å undersøke nevrale svingninger og frekvensspesifikke hjernefunksjoner hos friske personer, samt å studere og modulere svingninger i kliniske populasjoner 1 . Ved bruk av to eller flere ledende elektroder plassert i hodebunnen, brukes lavstrøm (1-2 mA topp-til-topp) sinusformede bølger til hjernen ved en ønsket frekvens for å interagere med pågående nevrale svingninger. TACS-studier har målt frekvens- og oppgavespesifikke atferds- eller kognitive moduleringer, inkludert men ikke begrenset til motorfunksjon 2 , arbeidsminneytelse 3 , somatosensasjon 4 og visuell oppfatning 5 , 6 , 7 . Anvendelse av vekselstrøm på en ikke-invasiv måte har også resultert i funksjonell driftForbedring i nevrologiske pasienter, som tremorreduksjon i Parkinsons sykdom 8 , forbedret syn i optisk neuropati 9 , og forbedret talemengde, sensorisk og motorgjenoppretting etter slag 10 . Til tross for et økende antall studier ved bruk av tACS for forskning og bevis på dets terapeutiske potensial i kliniske omgivelser, er virkningen av denne teknikken ikke fullt ut karakterisert, og mekanismene er ikke fullstendig forstått.

Simuleringer og dyreforsøk kan gi innsikt i effektene av vekselstrømstimulering på det cellulære eller nevrale nettverksnivå under kontrollerte forhold 11 , 12 , men i lys av tilstandsavhengigheten av effektive stimuleringsteknikker 13 , 14 , avslører slike studier ikke hele bildet . Kombinere tACS med neuroimaging teknikker18 , 19 , 20 eller funksjonell magnetisk resonansbilding (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 som elektroensfalografi (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografi kan informere om systemnivåmodulasjon av hjernefunksjon. Imidlertid kommer hver kombinasjon med teknologiske utfordringer, hovedsakelig på grunn av stimulerings-induserte artefakter i måling av frekvenser av interesse 15 . Selv om den tidsmessige oppløsningen av fMRI ikke kan matche EEG- eller MEG-målinger, er dens romlige dekning og oppløsning i kortikale og subkortiske hjerneområder overlegen.

Nylig viste vi i en kombinert tACS-fMRI-studie at effektene av tACS på blodsyresyre nivå dEpendent (BOLD) signal målt med fMRI er både frekvens og oppgavespesifikt, og at stimuleringen ikke nødvendigvis utøves sin største effekt direkte under elektrodene, men i områder som er fjernere fra elektrodene 22 . I en etterfølgende undersøkelse undersøkte vi effekten av tACS elektrodeposisjon og frekvens på nettverksfunksjonen ved hjelp av amplitude av lavfrekvente svingninger og hvilestatusfunksjonell tilkobling, inkludert bruk av korrelasjonsfrø av de mest direkte stimulerte områder, som avledet fra fagbasert strømtetthet simuleringer. Mest spesielt i denne studien fremkalte alfa (10 Hz) og gamma (40 Hz) stimulering ofte motsatte effekter i nettverkstilkobling eller på regional modulering 23 . I tillegg var det hvilestatistiske nettverket som var mest berørt, det venstre fronto-parietale kontrollnettverket. Disse studiene markerer potensialet for bruk av fMRI for å bestemme optimale parametere for effektiv, kontrollert stimulation. Dessuten bidrar de til bevis for at bortsett fra kontrollerte parametre, for eksempel oppgavetilstand og timing, stimuleringsfrekvens og elektrodeposisjoner, er det fagspesifikke faktorer som påvirker suksessen til tACS. Eksempler på fagegenskaper som oversettes som ukontrollable variabler i optimalisering av stimuleringsparametere er iboende funksjonell tilkobling, endogen oscillasjonstoppfrekvens ( f.eks . Individuell alfafrekvens) og skalle og hudtykkelse 25 . Med tanke på dagens litteratur om tACS, er det nødvendig med flere studier som kombinerer tACS med nevrale målinger som nevroimaging, for å etablere omfattende prosedyrer for effektive hjernestimuleringsteknikker.

Her beskriver vi et trygt og pålitelig oppsett for eksperimenter som bruker tACS samtidig med fMRI av en visuell oppgave, med fokus på aspekter ved oppsett og utførelse som gir vellykket synkronisert tACS med artefaktfri oppkjøp av fMRI-data.

Protocol

Utfør alle eksperimenter i samsvar med retningslinjer for institusjonelle etikkutvalg. For alle studier som er nevnt i dette manuskriptet, ble alle prosedyrer utført i henhold til Helsinki-erklæringen og godkjent av det lokale etikkutvalget ved Universitetslegen i Göttingen.

1. Stimulering og datamaskinoppsett før eksperiment

  1. Stimulatoroppsett
    MERK: Stimulatoren som brukes til dette fMRI-eksperimentet, er et spesialdesignet magnetisk resonans (MR) -kompatibelt system utstyrt med en MR-sikker indre filterboks, en ytre filterboks, sikkerhetsmotstander, koblede kabler og MR-sikre materialer. Noen instruksjoner gjelder spesifikt produsentens anvisninger, og disse kan variere når du bruker en annen stimulator, så vær forsiktig med å følge utstyrsinstruksjonene fra produsenten som kan utgjøre unntak fra dette oppsettet. Figur 1A viser stimulatorenKomponenter som brukes i dette eksperimentelle oppsettet.
    1. Naviger gjennom stimulatorens meny for å programmere de ønskede eksperimentelle parametrene (se brukerhåndboken for detaljer). For eksempel, for en stimuleringsfrekvens på 10 Hz, program 10 sykluser for ramp-opp / ned-tid på 1 s, 300 sinusformede sykluser i 30 s stimulering, nåværende styrke lik 1.000 μA og repeterende utløsermodus, som utført for vår Eksperimenter med mindre annet er nevnt. Lagre programmet for å laste for hver gang eksperimentet kjøres deretter.
    2. Koble stimuluspresentasjonsdatortrykkutgangen til stimulatoren ved hjelp av en BNC-kabel.
    3. Plasser et ikke-magnetisk, skjermet lokalnettverk (LAN) -kabel gjennom radiofrekvens (RF) bølgelederrøret fra innsiden av skannerrommet. For å unngå resonans kapasitiv kopling, sørg for at kabelen er fri for sløyfer og plassert langs veggen på rommet, som fører til baksiden av magnetboringen og langs skinnesengenG inne i boringen, som fører til stillingen til den indre filterboksen (se figur 1C og sikkerhetsnota i trinn 2.4 angående kabelposisjon). Fest kabelen med tape plassert intermittent langs lengden av det.
  2. Last det visuelle stimuleringsprogrammet på en utpekt presentasjonscomputer som er skilt fra skannerkontrolldatamaskinen. Som vist i figur 1C , kobler du presentasjonsdatamaskinen til skannerutløserutgangen via en optisk til elektrisk omformer og til en utgangsenhet ( dvs. projektor) som er plassert i et skjermet tilfelle eller utenfor magnetrommet. Bruk ikke-magnetiske speil for å lede projeksjonen på en skjerm inne i skanneren.

2. Emne Ankomst og forberedelse

  1. Forskjellige rekrutterte fag for eventuelle kontraindikasjoner for MR-skanning ( f.eks . Ingen metallimplantater, ingen klaustrofobi, eksperimentspesifikke fagforutsetninger) somSå vel som for tacs ( f.eks . Anfallssyndrom, kronisk hodepine, graviditet) 26 , 27 .
  2. Når faget ankommer, instruer faget om fMRI-eksperimentets detaljer og beskriv opplevelsen som skal forventes ( f.eks . Visuell stimulering, tinning eller fosfen fra tACS, spesielle oppgaveinstrukser).
  3. Plasser elektroder i henhold til 10-20 EEG-systemet og stimulatorpreparasjon.
    1. Bruk et målebånd, måle avstanden på motivets hode fra nasjon til inion og fra øre til øre over toppen av hodet. Krysset mellom begge lengder gir stillingen på hodet til Cz, i henhold til 10-20 EEG-systemet. Merk stedet for Cz i hodebunnen ved å bruke en markør.
    2. Plasser en EEG-hette uten elektroder på motivets hode, med Cz justert til merket på motivets hodebunn, bestem elektrodes ønskede plassering og merk dem.
      IKKEE: Det er viktig at alle eksperimenter bruker samme plasseringssystem for å sikre konsistens gjennom alle eksperimenter; 10-20 EEG-systemet, som vanligvis brukes i transkranielle stimuleringsforsøk, har spesifikke retningslinjer for å opprettholde nøyaktig elektrodplassering 26 , 28 .
    3. Bruk alkohol og bomullsputer, rengjør hår og hud på og rundt de merkede flekkene på motivets hodebunn; Fjern oljer og hårprodukter.
    4. Spred litt gel på gummielektroder og trykk hver elektrode godt på de merkede og rengjorte stedene på motivets hodebunn, slik at full kontakt fra elektroden til ledende gel i hodebunnen med minimal impedans.
    5. Bruk en ekstra skjermet LAN-kabel, koble filterkassene og MR-sikre kabler til stimulatoren og til gummielektroder som vist i figur 1A .
    6. Slå på stimulatoren og test impedansen (se brukerensManual for detaljer). Hvis impedansen ikke er under 20 kΩ, trykk elektrodene på hodebunnen eller legg til elektrodgelen etter behov før denne impedansretningslinjen er oppfylt.
    7. Når impedansen er under 20 kΩ, la stimulatoren utgjøre strøm i noen få sekunder for å gjøre motivet kjent med den sensoriske opplevelsen. Spør emnet om sensorisk oppfatning i løpet av denne testen, inkludert hvorvidt klynkende sensasjon eksisterer og kan motstå, og omfang eller plassering av fosfene under stimulering.
    8. På dette punktet er motivet forberedt på å flytte til skanneren sengen. Hvis elektrodkabelen er koblet til gummielektroder på motivet, må du koble fra stimulatoren, den ekstra LAN-kabelen og de ytre og indre filterkassene.
    9. Koble den ytre filterboksen til LAN-kabelen som går gjennom bølgelederen til MR-skanneren, slik at så lite eksponert LAN-kabel som mulig utenfor bølgelederen er mulig (se figur 1B ). Koble tilStimulator til den ytre filterboksen ved hjelp av stimulatorkabelen og dobbeltsjekker at stimulatoren er koblet til presentasjonsdatortriggerutgangen.
  4. Forbered emnet inne i MR-skanneren.
    MERK: Figur 1C viser hele tACS-fMRI-oppsettet under eksperimentet. Det er avgjørende å ordne kablene og den indre filterboksen som angitt, med elektrodekabelen plassert omtrent 90 ° vinkel mot skannerens seng og den indre filterboksen som hviler på skannerens belte på høyre side av skanneren kjede. Hvis du ikke gjør det, kan det skade elektrodekablets sikkerhetskrets. Denne konfigurasjonen gjelder for både åpne og lukkede RF-spoler.
    1. Når du har sikret at motivet er fri for magnetiske materialer og klar for MR-eksperimentet, må du lede motivet inn i skannerkammeret.
    2. Gi øreplugger for hørselsvern mot motivet, og instruer motivet til å lyvePå skannervognen legger du puter rundt og under hodet og under bena for komfort og for å redusere bevegelsen. Når du legger putene bak motivets hode, vær spesielt oppmerksom på å legge elektrodekabelen flatt og i en posisjon som er behagelig for motivet å ligge på i løpet av forsøket.
    3. Gi alarmkulen og MR-sikker responsknappen til motivet for å holde slik at minimal bevegelse er nødvendig for å trykke på en knapp for å svare i eksperimentet.
    4. Fest RF-hodespolen over motivets hode med et speil festet slik at motivet kan se projeksjonsskjermen reflektert i riktig retning.
    5. Forsikre deg om at den frie enden av elektrodekabelen kommer fra gummielektrodene til et sted i hodespolen slik at den ikke fanger når sengen beveger seg. Figur 1D viser fagets hode plassert i hodespolen med puter, speil og tACS-kabel på plass bFor å flytte sengen til senterhodet spolen for avbildning. Filterboksen vises også på skannerens belte, som et eksempel på hvor den må sitte i forhold til hodespolen når skanneren er i måleposisjon.
    6. Flytt skannerens seng til måleposisjon. Fra baksiden av skannerboringen kobler du elektrodekabelen fra gummielektroder til den indre filterboksen som kobles til LAN-kabelen, som vist i figur 1C . For å unngå overflødig bevegelse under skanning, må du koble kablene og filterboksen langs skannerens sengelister til høyre for boringen med tape og sandposer. Plasser projektorskjermen inn i bakre delen av skanneren.
    7. Test impedansen på stimulatoren enda en gang for å sikre at alle tilkoblinger mellom kabler, filterbokser og stimulatoren blir gjort riktig.

3. MR-skanning og eksperiment

  1. Før skanningen begynner, test atPresentasjonsdatabase registreres når motivet trykker på svarknappene.
  2. Oppnå høyoppløselige T1-vektede anatomiske data ( f.eks . Tredimensjonal turbo hurtig lavvinkelskudd, ekotid (TE): 3,26 ms, repetisjonstid (TR): 2.250 ms, inversjonstid: 900 ms, vinkelvinkel 9 °, Isotrop oppløsning på 1 x 1 x 1 mm 3 ).
    1. Etter oppkjøpet, juster kontrast og vindusvisning på den anatomiske MR-en til lave og høye ekstremer for å visuelt oppdage støy under skanning som kan skyldes stimulatoroppsettet. Fortsett denne visuelle overvåkingen av støy samtidig med funksjonell bildeoppkjøp.
  3. Start eksperimentet på presentasjonsdatamaskinen, klar til å begynne med skannertrykkeren, og start stimulatoren til å vente på utløseren for presentasjonsdatamaskinens utgang. La stimulatoren være på og tilkoblet gjennom fMRI-eksperimentet for å unngå forskjeller i det tidsmessige signal-støyforholdet (tSNR) mellom stimulatorPå og av forhold 22 .
  4. Start fMRI-skanningen ( f.eks . Todimensjonal T2 * -vektet gradient-ekko-ekko-plan bildebehandling; TE: 30 ms, TR: 2000 ms, vinkelen 70 °, 33 skiver med 3 mm tykkelse, ingen mellomrom mellom skiver ved En oppløsning på 3 x 3 mm 2 , 210 volumer i syv minutters skanning), som utløser starten av eksperimentet på presentasjonsdatamaskinen. Overvåk stimulatordisplayet for å sikre at strømmen sendes til ønsket tid i løpet av forsøkene.

4. Eksperiment Konklusjon

  1. Etter at forsøket har gått og skanning er ferdig, trekk ut den indre filterkassen fra kabelen som er koblet til gummielektroderne før du flytter skanneren, fjern motivet fra skanneren, og fjern elektrodene, og la motivet være fritt å vaske håret.
  2. Slå av stimulatoren, og koble den inn for å lade opp. Rengjør gummielektroder med vann for deres nexT bruk.

Representative Results

Figur 2 og Figur 3 viser representative bilder som er oppnådd for utstyrsstøytest i henholdsvis en fantom og et humanfag. I hver rad viser figur 2 og figur 3 representative aksiale skiver fra et oppkjøpt volum eller beregnet kart, merket tilsvarende over rækken. Det høyeste bildet på hver rad er en sagittal representasjon av det tilsvarende volumet eller det beregnede kartet, som indikerer aksiale snittposisjoner med blå linjer. Bortsett fra den første raden, som illustrerer elektrodeplassering i hvitt, er volumet lagt på et T1-veid bilde i hver figur. Legg merke til at det ikke er noen forvrengning eller signalfall fra elektrodene i T1-vektede bildene. Den andre raden i figur 2 viser representativ funksjonell MR-data som er oppnådd med tACS-oppsettet på plass og vendtpå. I fantom i figur 2 merker det seg noe signalfall og forvrengning på grunn av elektrodene, men rad 2 i figur 3 viser at disse forvrengningene ikke strekker seg utover hodebunnen i et fag. Rader tre og fire i figur 2 viser støymålinger i volumet, som er anskaffet ved bruk av de samme parametrene som fMRI-dataene, men uten en RF-eksitasjonspuls. Bildene viser støynivået i skannerkammeret og MR-maskinvaren under skanningen. Rad tre er en støymåling med tACS av, og rad fire er en med tACS på. I den femte og sjette rad i figur 2 er tSNR kart for funksjonelle forsøk med tACS oppsett og stimulator av og på, henholdsvis. TSNR-kart beregnet ut fra data som er innhentet i det menneskelige emnet som vises i figur 3 rad tre, med tACS av og fire med tACS på. Legg merke til at det ikke er noen synlig forskjellIntensitet når man sammenligner mellom stimuleringsbetingelser. Som vi demonstrerte i en tidligere studie, produserer tACS-utstyret en nedgang på 5% i tSNR i bilder sammenlignet med de som er oppnådd uten tACS-oppsettet, men tSNR skal forbli stabil over stimulering av og på forhold 22 .

Figur 4 representerer en serie bilder som viser signalfall som kan oppstå når ikke-MR-kompatible elektroder brukes. Skiver fra et fMRI-volum som er oppnådd av et emne med elektroder som kan ha noen metallforurensninger, viser signalfall under elektroden plassert omtrent over primærmotorcortex, som angitt med røde sirkler.

Figur 5 viser resultater av et eksperiment som tester effekten av dagens styrke på 16 Hz Cz-Oz-tACS på BOLD-signalet i emner hvis eneste t Spør er sentralt kryssfiksering. Gjennom forsøket ble 12 sekunders perioder av tACS interleaved med ikke-stimuleringsperioder varierende fra 24 til 32 sekunder. I en pseudorandomisert rekkefølge ble tACS påført med en annen strømstyrke (500 μA, 750 μA, 1000 μA, 1500 μA) i hver av fire kjøringer. Figur 5A viser hendelsesrelaterte gjennomsnitt av BOLD-signalet for statistisk signifikante klynger, med økende effekt på BOLD-signalet med økt strømstyrke. I tillegg viser figur 5B nåværende styrke-spesifikke T-score kart som illustrerer regional spesifisitet av effekter, samt økende romlig effekt med økt strømstyrke. Det er også verdt å merke seg at BOLD-aktivitet i frontområder ble endret betydelig, og viste at moduleringer ikke alltid var direkte under elektrodene. For detaljer, se Cabral-Calderin og kollegaer 22 .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 6 viser representative resultater av et eksperiment som tester frekvensavhengigheten av tACS-effekter under en visuell oppgaveoppgave. Emner rapporterte den oppfattede retningen av en bistabil roterende sfære. Samtidig ble tACS påført med elektroder plassert ved Cz og Oz ved en av tre stimuleringsfrekvenser (10 Hz, 60 Hz eller 80 Hz) i hver av tre separate økter. Figur 6A illustrerer eksperimentstimingen med visuell presentasjon og tACS perioder mellom Blokker av sentral kryssfiksering. TACS-tilstand og interferenskort med frekvensvirkninger og klynger etter hoc-tester viser frekvensspesifikke effekter i parietal cortex, med 10 Hz tACS-avtagende og 60 Hz økende signal ( Figur 6B ). Figur 6C viser T-score Kart over bestemte effekter av 60 Hz tACS som strekker seg over parietal cortex for å inkludere noen occipiTal og frontale regioner. For eksperiment og analyse detaljer, se Cabral-Calderin, et al. 22 .

Figur 1
Figur 1: TACS-oppsett i skanneren. ( A ) TACS-oppsett med alle nødvendige elementer. Stimulatoren og kablene er koblet utenfor MR-skjermet rom. Også vist er EEG-hetten, målebåndet og ledende gel som brukes til elektrodplassering. ( B ) Ytre filterboks og stimulator plassert utenfor skannerrommet. LAN-kabelen (ikke synlig i figuren) kommer fra skannerkammeret gjennom RF-vinkellederen og kobles til den ytre filterboksen, med så lite LAN-kabel som mulig utenfor skannerrommet. Stimulatoren skal være koblet til den ytre filterboksen, så vel som til presentasjonsdatamaskinens utløserutgangskabel. ( C )Skannermiljø med eksperimentell oppsett. Avbildning av tACS-oppsett, inkludert presentasjonscomputer, skannerdatamaskin og utløserutgang og projektor. ( D ) Emneposisjonering for eksperiment. Viktige elementer inkluderer puter, kabelplassering, speil og hodespole. Filterboks er plassert på skannerens belte som et eksempel på plassering inne i boringen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2
Figur 2: Kvalitetsvurdering MR bilder kjøpt av et fantom. Rad 1: Høyoppløste anatomiske T1-vektede bildaksiale skiver med deres posisjoner indikert med blå linjer på en sagittal skive til høyre (ses også i hver rad). På sagittalplanet er elektrodeposisjoner illustrert Vurdert i hvitt. Row 2: T2 * -vektede ekkoloddbilde, med magenta piler som indikerer signalfall og forvrengning på grunn av elektroder og / eller elektrodgel. På sagittalplanet er plasseringen av det tilsvarende volumet vist som et overlegg (ses også i hver følgende rad). Rad 3: Støybilde skiver kjøpt med fMRI eksperimentelle parametere og ingen RF excitasjonspuls mens tACS-oppsettet er på plass og slått på, men ikke stimulerende. Row 4: No-RF-excitation bilde kjøpt med tACS oppsett på plass og stimulator på og stimulerende ved 16 Hz. Row 5: TSNR-kart beregnet ut fra data oppnådd med tACS-oppsettet på plass og slått på, men ikke stimulerende. Row 6: TSNR-kart beregnet ut fra data oppnådd med tACS-oppsettet på plass og stimulerende ved 16 Hz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Figur 3: Kvalitetsvurdering MR Bilder Oppnådd av et emne. Rad 1: Høyoppløste anatomiske bildeaksiale skiver med sine posisjoner indikert av blå linjer på en sagittal skive til høyre (sett i hver rad). Elektrodeposisjoner er illustrert i hvitt på sagittal-visningen. Rute 2: T2 * -vektede ekkoloddformede bildeskiver som ikke viser signalfeil på grunn av elektroder og / eller elektrodgel. På sagittalplanet er plasseringen av det tilsvarende volumet vist som et overlegg (ses også i hver følgende rad). Rad 3: TSNR-kart beregnet ut fra data som er oppnådd med tACS-oppsettet på plass og slått på, men ikke stimulerende. Row 4: TSNR kart beregnet ut fra data oppnådd med tACS oppsett på plass og stimulerende ved 16 Hz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.


Figur 4: Signalutslipp på grunn av en forurenset elektrode. Skiver fra et fMRI-volum som er oppnådd av et individ som bruker en forurenset elektrode, ligger omtrent over håndskruen til motorcortexen. Røde sirkler indikerer områder under elektroden med signalfeil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5
Figur 5: Effekt av nåværende styrke på tACS-modulering av BOLD-signalet. ( A ) F-score-kort som viser hovedvirkningen av nåværende styrke på effekten av 16 Hz tACS. En betydelig hovedvirkning av dagens styrke i en enveis rANOVA [innenfor Faktor: strømstyrke (500, 750, 1000, 1500 μA)] er tydelig. Tegningene viser hendelsesrelatert gjennomsnittlig tidskurs for BOLD-signalet for tACS-on perioder for hver nåværende styrke. Skyggefulle områder indikerer standardfeil av gjennomsnittet på tvers av emner. MedialFG = medial frontal gyrus, IPS = intraparietal sulcus, IFG = inferior frontal gyrus, PrC = precentral gyrus, L = venstre, R = høyre, * klynge ikke korrigert for flere sammenligninger. ( B ) T-score-kort Viser BOLD-aktivitetendringer under 16 Hz tACS for hver nåværende styrke. Ingen signifikant effekt ble funnet med 500 μA tACS. LH = venstre halvkule; RH = høyre halvkule. Dette bildet er blitt modifisert fra Cabral-Calderin et al. 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Figur 6: Effekt av tACS på BOLD-signalet i en visuell oppgaveoppgave. ( A ) Skjematisk representasjon av forsøket. Visuell stimulus og tACS ble anvendt i en blokkdesign, med 30 s on-off tACS-blokker som oppstod under 120 sek blokker med visuell stimulus presentasjon. Hver frekvens ble testet i en annen økt. SfM = struktur-fra-bevegelse. ( B ) TACS tilstands- og frekvensinteraksjonseffekt. F-statistiske kart som viser signifikans i toveis rANOVA [innen faktorer: tACS (på, av), frekvens (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] og beta estimater for to representative klynger i post-central gyrus. Kontinuerlige linjer og svarte asterisker markerer signifikante forskjeller for post-hoc-sammenligninger for tacs-interaksjonseffekter på 10 Hz mot 60 Hz og 10 Hz mot 80 Hz, og røde asterisker innebærer en signifikant forskjell for tACS mot versus post-hoc-tester. PoC = postcentral gyrus, IPS = intraparietal sulcus. ( C ) T-score Kart over 60 Hz tACS. Vesentlige forskjeller som sammenligner 60 Hz tACS på versus av. Dette bildet har blitt utskrevet fra Cabral-Calderin et al. 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Her har vi beskrevet prosedyren for et simultant oppsett og utførelse av tACS-fMRI-eksperiment ved hjelp av et MR-kompatibelt tACS-system. Noen trinn i denne prosedyren krever spesiell oppmerksomhet, spesielt med hensyn til emneoppsettet. Den MR-kompatible stimulatoren og oppsettet som brukes i dette forsøket, har en minimumsimpedans på ca. 12 kΩ kun med kabler, filterkasser og elektroder, og produsenten anbefaler 20 kΩ minimal impedans med elektroder koblet til motivet. Dette kravet avhenger av stimulatorprodukt og produsent. Ved bruk av elektroder til motivet, hvis impedansen er for høy, kan det tas noen skritt for å redusere denne verdien bortsett fra å presse elektrodene. For eksempel kan det være lettere å først dekke markerte og rengjorte steder i hodebunnen med elektrodgel, inkludert håret, før du presser elektroden på hodebunnen. Dette vil sikre dagens spredning over det ikke-ledende materialet; derimot,Vær forsiktig med å begrense elektrodgeldekning til omtrent samme overflateareal som elektrodene til likestrøm spredt til ønsket stimuleringsområde. Vær særlig oppmerksom på dette hvis elektrodene er tett sammen, fordi strømmen mellom elektrodene kan skje gjennom overflødig elektrodgelkontakt. Hvis elektroden er på baksiden av hodet hvor motivet legger seg direkte på det, må det tas spesiell forsiktighet for å plassere puter bak hodet slik at motivet ikke vil bli ubehagelig når forsøket fortsetter; Dette ubehaget kan ikke være et problem for første gang for emnet, men erfaringen viser at smerte oppstår og øker med tiden. I tillegg, som med alle fMRI-eksperimenter, presenterer fagbevegelse problematiske konfronter, så det er viktig at motivet er komfortabelt med alle kabler og elektroder på plass.

Det viktigste aspektet av oppsettet å vurdere er støyen potensielt introdusert iTil MR-miljøet som kan indusere bildeartefakter og forvrengninger. Før eksperimentet er det forsiktig å teste for bildegenskaper med hele tACS-oppsettet på plass. Et normalt sfærisk fantom kan brukes, og sikrer elektroder med elektrodgel. Det er viktig å gi en viss måte for strømmen å bevege seg mellom elektroder, som kan oppnås ved å påføre en generøs mengde elektrodgel i en bane fra en elektrode til den andre. Kjør hele eksperimentet, som planlagt for emnet, inkludert parametervariasjoner som frekvens og strøm. Under skanningssesjonen gjør det mulig å justere kontrast og vindusvisning til ekstremer i bildeviseren på MR-skannerkontrolldatamaskinen, noe som lettere visuell gjenkjenning av støy. Når visuelt overvåking av støy før og under forsøket, kan det forekomme støy som pigger i bildet med høy intensitet, mønstre der signalet ikke måles eller varierende intensitet over tid, som eksempler. Oppnå fMRI data med RF excitatioN puls slått av gir informasjon om skannermiljøstøy under skanning uten å skaffe det faktiske bildesignalet (se figur 2 ). Denne støytesten kan gjøres i hver skanningssesjon. Hvis det er variasjoner i støyen, kontroller at alle kabler er intakte og godt forbundet med stimulator, elektroder og filterkasser. Ingen kabler bør sitte i sløyfer. Støy eller forvrengning kan oppstå fra ødelagte kabler, elektroder med metallforurensninger i gummi (til tross for salg som MR-kompatibel) og feilforbindelser, blant annet muligheter. Stimulatoren er batteridrevet for å minimere elektrisk støy i oppsettet; Sørg for at den er fulladet før hvert eksperiment, og at det forblir på og koblet sammen gjennom eksperimentet. TSNR i funksjonelle bilder vil reduseres rundt 5% med stimulatoren tilkoblet, men verdiene skal være stabile over stimuleringsforholdene 22 . Samtidig transcranial elektrisk stimulering-fMRI tester oN cadavers har vist at det ikke finnes noen gjenstander knyttet til vekselstrømstimulering, noe som er en fordel i forhold til likestrømstimulering 30 . Teoretisk kan denne mangelen på gjenstander forklares med en nettstrøm på null når bildet er anskaffet 30 . For noen av forsøkene som er utført i vårt laboratorium, er imidlertid oppkjøpetiden eller TR ikke et multiplum av stimuleringsfrekvensen. Etter å ha gjennomført støytestene nevnt i denne protokollen og undersøkt bilder for gjenstander, som ikke var synlige, konkluderte vi med at en hvilken som helst forskjell i nettstrøm fra null er liten og for ubetydelig å indusere artefakter.

Et annet kritisk punkt for vellykkede eksperimenter er at presentasjonsdatamaskinen mottar avspillingsutgangen til skanneren, og at stimulatoren mottar avtrekkeren fra presentasjonsdatamaskinen. Før eksperimentet, programmer visuell stimulusdesign og timing ved hjelp av thE ønsket programvare. Dette programmet må bruke utløsere til å synkronisere den visuelle stimulanspresentasjonen med MR-skanneren og stimulatoren; Den starter med en utløser som er utgang fra MR-skanneren, og sender også utgangsstigger til stimulatoren ved ønsket stimuleringstid. En enkel måte å kontrollere utløserkommunikasjon under oppsettet er å bruke et oscilloskop festet med en BNC-kabel til skannerutløserutgangen, samt presentasjonsdatamaskinens utgang. I oppsettet utfører MR-skanneren en trigger (bytt) for hvert funksjonsvolum som er oppnådd, og presentasjonsdatamaskinen gir et signal som programmert gjennom presentasjonsprogramvaren. Analysen av et godt designet eksperiment hviler kritisk på riktig tidsstimulert stimulering.

Noen trinn i dette eksperimentet kan tilpasses etter behov for laboratorieinnstillingskravene. For eksempel beskriver dette oppsettet ved hjelp av en projektor og speil for visuell stimuluspresentasjon, men den visuelle stimulansenTput-enheten kan være MR-sikker væskekrystall-beskyttelsesbriller eller en MR-sikker skjerm, valgt ut fra eksperiment og laboratorieinnstillinger eller begrensninger. Også MR-skanningsparametere skal skreddersys for eksperimentet. Det er verdt å merke seg at det bør tas hensyn til riktig valg av eksperimentell kontroll for tACS, selv om det ikke finnes et grei svar. En kort sham-stimulering på 30 sekunder kan etterligne somatosensasjonen fremkalt av tACS som i siste instans reduseres med langvarig stimulering; Noen studier viser imidlertid at selv korte stimuleringsperioder kan forårsake oscillatorisk entrainment 12 . En annen mulig kontroll som kan brukes til tACS, er å stimulere ved å bruke en ikke-effektiv frekvens, eller med andre ord en annen frekvens enn den som er interessert. Unntaket her ville være at somatosensasjon og fosfeneopplevelse varierer i henhold til stimuleringsfrekvensen 31 . Til slutt, om subjektive opplevelser av stimTacs-induserte fosfener varierer over enkeltpersoner, så for å best mulig ta opp variabilitet, bør du vurdere å bruke et detaljert klassesystem for fosfeneoppfattelse, og tilbringe litt tid med emnet som beskriver de ulike egenskapene til fosfene ( f.eks . Plassering, intensitet) som Kan oppstå slik at emnet nøye kan vurdere sin erfaring under stimulering 32 , 33 .

De representative resultatene som vises her antyder at tACS-effekter er nåværende avhengige, frekvensavhengige, og at moduleringen ikke er begrenset til områdene under elektrodene, men strekker seg til fjerne, sannsynligvis funksjonelt forbundne områder. En begrensning av denne teknikken er den tidsmessige oppløsningen av fMRI så vel som av BOLD-responsen. Datainnsamlingen og hemodynamisk respons er ikke like fort som stimuleringsfrekvensen eller elektrisk aktivitet i hjernen, så direkte interaksjoner med frekvens-Spesifikke effekter av tACS kan ikke måles. Imidlertid, gitt at den største delen av vitenskapelig litteratur om tACS-effekter er av atferdsstudier, og at tACS tydeligvis påvirker et helt komplisert nervesystem, er det klart at samtidige tACS-fMRI-eksperimenter har mye å tilby for å informere oss om tACS-effekter i hjernen. EEG og MEG gir innsikt på nivået av tidsmessige oppløsninger som samsvarer med nevrale aktivitet. Men EEG og MEG lider av romlig oppløsning og kortikale dybdebegrensninger eller beregningsintensive kildekonstruksjonsteknikker. Stimuleringsfrekvens og harmoniske gjenstander som overstyrer hjernesignaler av interesse registrert ved samme frekvenser, kompliserer ytterligere EEG- og MEG-analyser. Innovative løsninger har blitt brukt for å takle noen av disse utfordringene. Helfrich et al. Ansatt en ny teknikk for å fjerne tACS artifact fra EEG data ved hjelp av en artefakt mal subtraksjon og prinsipp komponent analyse 15 34 . Med målet om å anvende tACS i forskning for bedre å forstå normal og unormal hjernefunksjon, og til slutt klinisk for diagnostikk eller terapi, bør tACS kombineres separat med EEG, MEG og fMRI for å komplementere etablere beste praksis for bestemte ønskede effekter som kan skreddersys Spesielt til enkeltpersoner. Når slike praksiser etableres, kan effektive undersøkelser utføres for bedre å forstå funksjonen av nevrale svingninger ( f.eks . Tydelig definere funksjonelle roller og relasjoner av forskjellige frekvensbånd) og deres modulering med tACS (F.eks. Om mekanismen oppstår gjennom innblanding eller plastforandringer 35 ).

Tatt i betraktning fremtidige retninger, er oppsettet som er beskrevet her, skreddersydd for fMRI-eksperimenter som studerer oppfatning eller kognisjon, som struktur-fra-bevegelsesstudien beskrevet her og andre har vist. Cabral-Calderin og kollegaer viste at aktivering i regioner av den occipitale cortex var avhengig av oppgave- og tACS-frekvens i et video-tittende versus finger-tapping-eksperiment 22 . I en samtidig tACS-hvilende tilstand fMRI-studie viste Cabral-Calderin og kollegaer frekvensavhengige effekter av tACS på inneboende funksjonelle tilkoblings- og hvilestatnettverk 23 . Vosskuhl et al . Kombinert tACS og fMRI for å vise BOLD reduksjon under en visuell årvåkenhet ved individuell alfafrekvensstimulering 24 . Alekseichuk og kolleger viste at umiddelbare ettervirkninger av 10 Hz tACS modulerer BOLD-signalet under en visuell oppfatning av rutete ringer og kiler, noe som indikerer en endring i den neurale metabolisme av en passiv oppfatningsoppgave 36 . Disse studiene satte scenen for samtidige tACS-fMRI-studier for å undersøke funksjonelle mekanismer på mange nivåer, fra metabolisme til kognisjon. På et så tidlig stadium i bruk av tACS for translasjonsforskning, er det stort potensial for samtidige tACS-fMRI-eksperimenter for å legge til forståelse av både stimuleringsteknikken og bidraget til svingninger til kognitive funksjoner.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Ilona Pfahlert og Britta Perl for teknisk assistanse under funksjonelle imaging eksperimenter og Severin Heumüller for utmerket datastøtte. Dette arbeidet ble støttet av Herman og Lilly Schilling Foundation og Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Thut, G. Modulating brain oscillations to drive brain function. PLoS Biol. 12, (12), e1002032 (2014).
  2. Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving Oscillatory Activity in the Human Cortex Enhances Motor Performance. Current Biology. 22, (5), 403-407 (2012).
  3. Jausovec, N., Jausovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biological Psychology. 96, 42-47 (2014).
  4. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Frontiers in Psychology. 2, (2011).
  5. Laczo, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain stimulation. 5, (4), 484-491 (2012).
  6. Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Wilke, M. Rhythmic Gamma Stimulation Affects Bistable Perception. Journal of Cognitive Neuroscience. 27, (7), 1298-1307 (2015).
  7. Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18, (23), 1839-1843 (2008).
  8. Brittain, J. S., Probert-Smith, P., Aziz, T. Z., Brown, P. Tremor Suppression by Rhythmic Transcranial Current Stimulation. Current Biology. 23, (5), 436-440 (2013).
  9. Sabel, B. A., et al. Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy. Restorative Neurology and Neuroscience. 29, (6), 493-505 (2011).
  10. Fedorov, A., Chibisova, Y., Gall, C., Sabel, B. A. Non-Invasive Alternating Current Stimulation Induces Recovery From Stroke. Brain Injury. 26, (4-5), 634 (2012).
  11. Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing. Journal of Neuroscience. 30, (45), 15067-15079 (2010).
  12. Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Front Hum Neurosci. 7, 687 (2013).
  13. Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum Neurosci. 7, 279 (2013).
  14. Alagapan, S., et al. Modulation of Cortical Oscillations by Low-Frequency Direct Cortical Stimulation Is State-Dependent. PLoS Biol. 14, (3), e1002424 (2016).
  15. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24, (3), 333-339 (2014).
  16. Neuling, T., Zaehle, T., Herrmann, C. Simultaneous recording of EEG and transcranial electric stimulation. International Journal of Psychophysiology. 77, (3), 312 (2010).
  17. Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PLoS One. 5, (11), e13766 (2010).
  18. Neuling, T., et al. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
  19. Ruhnau, P., Keitel, C., Lithari, C., Weisz, N., Neuling, T. Flicker-Driven Responses in Visual Cortex Change during Matched-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation. Front Hum Neurosci. 10, 184 (2016).
  20. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. 89-98 (2016).
  21. Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. 110-117 (2016).
  22. Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial alternating current stimulation affects the BOLD signal in a frequency and task-dependent manner. Hum Brain Mapp. 37, (1), 94-121 (2016).
  23. Cabral-Calderin, Y., Williams, K. A., Opitz, A., Dechent, P., Wilke, M. Transcranial alternating current stimulation modulates spontaneous low frequency fluctuations as measured with fMRI. Neuroimage. 141, 88-107 (2016).
  24. Vosskuhl, J., Huster, R. J., Herrmann, C. S. BOLD signal effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) in the alpha range: A concurrent tACS-fMRI study. Neuroimage. 140, 118-125 (2016).
  25. Krause, B., Cohen Kadosh,, R, Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 8, (25), (2014).
  26. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J Vis Exp. (51), (2011).
  27. Nitsche, M. A., et al. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clinical Neurophysiology. 114, (11), 2220-2222 (2003).
  28. Poeppl, T. B., et al. Connectivity and functional profiling of abnormal brain structures in pedophilia. Hum Brain Mapp. 36, (6), 2374-2386 (2015).
  29. Cabral-Calderin, Y., et al. Transcranial Alternating Current Stimulation Affects the BOLD Signal in a Frequency and Task-dependent Manner. Human Brain Mapping. 37, (1), 94-121 (2016).
  30. Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. Neuroimage. 85, (Pt 3), 1040-1047 (2014).
  31. Turi, Z., et al. Both the cutaneous sensation and phosphene perception are modulated in a frequency-specific manner during transcranial alternating current stimulation. Restor Neurol Neurosci. 31, (3), 275-285 (2013).
  32. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clinical Neurophysiology. 121, (9), 1551-1554 (2010).
  33. Schutter, D. J., Hortensius, R. Retinal origin of phosphenes to transcranial alternating current stimulation. Clinical Neurophysiology. 121, (7), 1080-1084 (2010).
  34. Witkowski, M., et al. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. (2015).
  35. Vossen, A., Gross, J., Thut, G. Alpha Power Increase After Transcranial Alternating Current Stimulation at Alpha Frequency (alpha-tACS) Reflects Plastic Changes Rather Than Entrainment. Brain Stimul. 8, (3), 499-508 (2015).
  36. Alekseichuk, I., Diers, K., Paulus, W., Antal, A. Transcranial electrical stimulation of the occipital cortex during visual perception modifies the magnitude of BOLD activity: A combined tES-fMRI approach. Neuroimage. (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics