Samtidig transcranial vekselstrømsstimulering og funktionel magnetisk resonansbilleddannelse

Behavior
 

Summary

Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er et lovende redskab til ikke-invasiv undersøgelse af hjerneoscillationer, selvom dens virkninger ikke forstås fuldstændigt. Denne artikel beskriver en sikker og pålidelig opsætning til at anvende tACS samtidig med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse, hvilket kan øge forståelsen af ​​oscillerende hjernefunktion og virkninger af 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 redskab til ikke-invasiv undersøgelse af hjerneoscillationer. TACS anvender frekvensspecifik stimulation af den menneskelige hjerne gennem aktuelt anvendt på hovedbunden med overfladeelektroder. Den mest aktuelle viden om teknikken er baseret på adfærdsmæssige studier; Derfor kombinerer metoden med hjernedannelse potentiale for bedre at forstå mekanismerne for tACS. På grund af elektriske og modtagelige artefakter kan kombinering af tACS med hjernedannelse udfordre. Imidlertid er en hjernedannelsesteknik, der er velegnet til samtidig anvendelse med tACS, funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). I vores laboratorium har vi succesfuldt kombineret tACS med samtidige fMRI-målinger for at vise, at tACS-effekter er tilstands-, aktuelle og frekvensafhængige, og at modulering af hjerneaktivitet ikke er begrænset til området lige under elektroderne. Denne artikel beskriver et sikkert og pålideligt sætOp til at anvende tACS samtidig med visuelle opgaver fMRI undersøgelser, som kan udlånes til forståelse af oscillerende hjernefunktion samt virkningerne af tACS på hjernen.

Introduction

Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er en noninvasiv hjernestimuleringsteknik med løfte om at undersøge neurale oscillationer og frekvensspecifikke hjernefunktioner hos raske individer samt at studere og modulere svingninger i kliniske populationer 1 . Ved anvendelse af to eller flere ledende elektroder anbragt i hovedbunden, sættes de lavtliggende (1-2 mA top-to-peak) sinusformede bølger til hjernen i en ønsket frekvens for at interagere med igangværende neurale svingninger. TACS-undersøgelser har målt frekvens- og opgavespecifikke adfærdsmæssige eller kognitive moduleringer, herunder men ikke begrænset til motorfunktion 2 , arbejdshukommelsesydelse 3 , somatosensation 4 og visuel opfattelse 5 , 6 , 7 . Anvendelse af vekselstrøm på en ikke-invasiv måde har også resulteret i funktionelForbedring i neurologiske patienter, såsom tremorreduktion i Parkinsons sygdom 8 , forbedret syn i optisk neuropati 9 og forbedret talemængde, sensorisk og motorisk genopretning efter slagtilfælde 10 . På trods af et stigende antal undersøgelser, der bruger tACS til forskning og beviser for dets terapeutiske potentiale i kliniske omgivelser, er virkningerne af denne teknik ikke fuldt ud karakteriseret, og dens mekanismer er ikke fuldstændigt forstået.

Simuleringer og dyreforsøg kan give indsigt i virkningerne af vekselstrømstimulering på det cellulære eller neurale netværksniveau under kontrollerede betingelser 11 , 12 , men i betragtning af tilstandsafhængigheden af ​​effektive stimuleringsteknikker 13 , 14 afslører sådanne undersøgelser ikke hele billedet . Kombination af tACS med neuroimaging teknikkerSom elektroencefalografi (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografi (MEG) 18 , 19 , 20 eller funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 kan informere om systemniveaumodulering af hjernefunktion. Men hver kombination kommer med teknologiske udfordringer, primært på grund af stimuleringsinducerede artefakter i måling af frekvenser af interesse 15 . Selv om den tidsmæssige opløsning af fMRI ikke kan matche EEG- eller MEG-målinger, er dens rumlige dækning og opløsning i kortikale og subkortiske hjerneområder overlegen.

For nylig viste vi i et kombineret tACS-fMRI-studie, at virkningerne af tACS på blodets oxygeneringsniveau dEpendent (BOLD) signal målt med fMRI er både frekvens og opgavespecifikke, og at stimuleringen ikke nødvendigvis udøver sin største effekt direkte under elektroderne, men i områder, der er fjernere fra elektroderne 22 . I en efterfølgende undersøgelse undersøgte vi virkningen af ​​tACS elektrode position og frekvens på netværksfunktion ved anvendelse af amplitude af lavfrekvent fluktuationer og hvilende tilstand funktionel forbindelse, herunder anvendelse af korrelationsfrø fra de mest direkte stimulerede regioner, som afledt af subjektbaseret strømtæthed simuleringer. Mest i dette studie fremkaldte alfa (10 Hz) og gamma (40 Hz) stimulering ofte modsatte effekter i netværksforbindelse eller på regional modulering 23 . Desuden var det hviletilstandsnetværk, der var mest berørt, det venstre fronto-parietale kontrolnetværk. Disse undersøgelser fremhæver potentialet for at anvende fMRI til at bestemme optimale parametre for effektiv, kontrolleret stilering. De bidrager også til bevis for, at bortset fra kontrollerede parametre, såsom opgavebetingelser og timing, stimuleringsfrekvens og elektrodepositioner, er der fagspecifikke faktorer, som påvirker succesen af ​​tACS. Eksempler på fagkarakteristika, som oversættes som ukontrollable variabler i optimering af stimuleringsparametre, er iboende funktionel forbindelsesevne, endogen oscillationstopfrekvens ( fx individuel alfafrekvens) og kraniet og hudtykkelse 25 . I betragtning af den nuværende litteraturliste vedrørende tACS kræves flere undersøgelser, der kombinerer tACS med neurale målinger som neuroimaging, for at etablere omfattende procedurer for effektive hjernestimuleringsteknikker.

Her beskriver vi et sikkert og pålideligt setup for eksperimenter, der anvender tACS samtidigt med fMRI af en visuel opgave med fokus på aspekter af opsætningen og udførelsen, der giver succesfuld synkroniseret tACS med artfaktisk opkøb af fMRI data.

Protocol

Udfør alle eksperimenter i overensstemmelse med retningslinjer for institutionel etik. For alle undersøgelser, der er nævnt i dette manuskript, blev alle procedurer udført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen og godkendt af det lokale etiske udvalg ved Universitetsmedicinsk Center Göttingen.

1. Stimulation og Computer Setup forud for Experiment

  1. Stimulator opsætning
    BEMÆRK: Stimulatoren anvendt til dette fMRI-eksperiment er et specialdesignet magnetisk resonans (MR) -kompatibelt system, der er udstyret med en MR-sikker indre filterkasse, en ydre filterkasse, sikkerhedsmodstande, koblede kabler og MR-sikre materialer. Nogle instruktioner vedrører specifikt fabrikantens anvisninger, og disse kan variere, når der anvendes en anden stimulator, så pas på at følge instruktionerne fra producenten, der kan udgøre undtagelser fra denne opsætning. Figur 1A viser stimulatorenKomponenter, der anvendes i denne eksperimentelle opsætning.
    1. Naviger gennem stimulatorens menu for at programmere de ønskede forsøgsparametre (se brugervejledningen for detaljer). For eksempel, for en stimuleringsfrekvens på 10 Hz, program 10 cykler til ramp-op / ned-tid på 1 s, 300 sinusformede cykler i 30 s stimulering, strømstyrke svarende til 1.000 μA og gentagende udløsermodus som udført for vores Eksperimenter, medmindre andet er angivet. Gem programmet for at indlæse for hver gang eksperimentet køres derefter.
    2. Forbind stimuluspræsentationscomputerens udgangseffekt til stimulatoren ved hjælp af et BNC-kabel.
    3. Anbring et ikke-magnetisk, afskærmet lokalnetværk (LAN) -kabel gennem radiofrekvens (RF) bølgelederrøret fra scannerrummets inderside. For at undgå resonans kapacitiv kobling skal du sørge for, at kablet er fri for sløjfer og anbragt langs rummets væg, hvilket fører til bagsiden af ​​magnetboringen og langs den højre side af skinnesengenG inde i boringen, hvilket fører til placeringen af ​​den indvendige filterkasse (se figur 1C og sikkerhedsnota i trin 2.4 vedrørende kabelposition). Fastgør kablet med tape placeret intermittent langs længden af ​​det.
  2. Indlæs det visuelle stimulusprogram på en udpeget præsentationscomputer, som er adskilt fra scannerkontrolcomputeren. Som vist i figur 1C , skal præsentationscomputeren sluttes til scannerudløserudgangen via en optisk til elektrisk omformer og til en udgangsenhed ( dvs. projektor), der er anbragt i en afskærmning eller uden for magnetrummet. Brug ikke-magnetiske spejle til at lede projektionen på en skærm inde i scannerboringen.

2. Emne Ankomst og forberedelse

  1. Forskærmede rekrutterede forsøgspersoner til eventuelle kontraindikationer til MR-scanning ( fx ingen metalimplantater, ingen klaustrofobi, eksperimentspecifikke fagforudsætninger) somSåvel som for tACS ( fx historie med anfald, kronisk hovedpine, graviditet) 26 , 27 .
  2. Når emnet ankommer, instruere emnet om fMRI-eksperimentets detaljer og beskrive den erfaring, der skal forventes ( f.eks . Visuel stimulering, tinning eller phosphener fra tACS, særlige opgaver).
  3. Placer elektroder i henhold til 10-20 EEG-systemet og stimulator forberedelse.
    1. Ved hjælp af et målebånd måles afstanden på motivets hoved fra nationen til inionen og fra øre til øre over toppen af ​​hovedet. Krydsningen af ​​begge længder giver positionen på hovedet for Cz, ifølge 10-20 EEG-systemet. Marker stedet for Cz på hovedbunden ved hjælp af en markør.
    2. Placer en EEG-hætte uden elektroder på motivets hoved, med Cz justeret til mærket på motivets hovedbund, bestem elektrodes ønskede placering og markér dem.
      IKKEE: Det er vigtigt, at alle eksperimenter bruger det samme placeringssystem for at sikre sammenhæng gennem alle forsøg; 10-20 EEG-systemet, som almindeligvis anvendes i transcraniale stimuleringsforsøg, har specifikke retningslinjer for at opretholde nøjagtig elektrodeplacering 26 , 28 .
    3. Brug alkohol og bomuldsstynder, rengør hår og hud på og omkring de markerede pletter på motivets hovedbund. Fjern olier og hårprodukter.
    4. Spred lidt gel på gummielektroderne og tryk hver elektrode fast på de markerede og rengjorte steder på motivets hovedbund, hvilket sikrer fuld kontakt fra elektroden til ledende gel i hovedbunden med minimal impedans.
    5. Brug et ekstra afskærmet LAN-kabel, tilslut filterkasserne og MR-sikre kabler til stimulatoren og til gummielektroderne som vist i figur 1A .
    6. Tænd for stimulatoren og test impedansen (se brugerensManual for detaljer). Hvis impedansen ikke er under 20 kΩ, skal du trykke elektroderne på hovedbunden eller tilføje elektrodgel efter behov, indtil denne impedansretningslinje er opfyldt.
    7. Når impedansen er under 20 kΩ, lad stimulatoren udlade strøm i nogle få sekunder for at gøre emnet kendskab til med den sensoriske oplevelse. Spørg emnet om sensorisk opfattelse under denne test, herunder om der forekommer prikkende følelse og kan modstå og omfang eller placering af phosphener under stimulering.
    8. På dette tidspunkt er emnet parat til at flytte til scanneren. Hvis elektrodkabelet er tilsluttet i gummielektroderne på emnet, skal du frakoble stimulatoren, det ekstra LAN-kabel og de ydre og indre filterkasser.
    9. Tilslut det ydre filterkasse til LAN-kablet, der løber gennem bølgelederen til MR-scanneren, så længe så lidt eksponeret LAN-kabel uden for bølgelederen er muligt (se figur 1B ). TilslutStimulator til den ydre filterkasse ved hjælp af stimulatorkablet og dobbeltkrydse, at stimulatoren er forbundet til præsentationscomputerudløserudgangen.
  4. Forbered motivet inde i MR-scanneren.
    BEMÆRK: Figur 1C viser den fulde tACS-fMRI opsætning under eksperimentet. Det er afgørende at arrangere kablerne og den indre filterkasse som specificeret, med elektrodekablet anbragt i en ca. 90 ° vinkel til skannerens seng og det indre filterkasse hviler på scannerens sengelænde på højre side af scanneren bore. Hvis du undlader at gøre det, kan det skade elektrodekablernes sikkerhedskreds; Denne konfiguration gælder for både åbne og lukkede RF-spoler.
    1. Efter at have sikret, at motivet er fri for magnetiske materialer og klar til MR-eksperimentet, føres motivet ind i scannerrummet.
    2. Giv ørepropper til beskyttelse af hørelsen mod motivet, og instruer motivet til at liggePå scanneren sengen, placere puder rundt og under hovedet og under benene for komfort og for at reducere bevægelsen. Når du placerer puderne bag motivets hoved, skal du være særlig opmærksom på at lægge elektrodekablet fladt og i en stilling, der er behageligt for motivet at ligge på i løbet af eksperimentets varighed.
    3. Giv alarmbøjlen og MR-sikker reaktionsknappen til motivet for at holde sådan, at der kræves minimal bevægelse for at skubbe en knap for at reagere i eksperimentet.
    4. Fastgør RF-hovedspolen over motivets hoved med et spejl fastgjort, så motivet kan se projektionsskærmen afspejlet i den korrekte retning.
    5. Sørg for, at den frie ende af elektrodekablet, der kommer fra gummielektroderne, midlertidigt fastgøres til et sted i hovedspolen, således at det ikke fanger, når sengen bevæger sig. Figur 1D viser fagets hoved placeret i hovedspolen med puder, spejl og tACS-kabel på plads bFør du flytter sengen til centerhovedspolen til billeddannelse. Filterboksen vises også på scannerens sengelænde, som et eksempel på, hvor den skal sidde i forhold til hovedspolen, når scannerlejet er i målestilling.
    6. Flyt scannerens seng i målestilling. Fra den bageste ende af scannerboringen skal du forbinde elektrodekablet fra gummielektroderne til den indre filterkasse, som forbinder LAN-kablet, som vist i figur 1C . For at forhindre overskydende bevægelse under scanningen, skal du sikre kablerne og filterboksen langs skannerens sengelænde til højre for boringen med tape og sandposer. Placer projektorskærmen i bagenden af ​​scannerboringen.
    7. Test impedansen på stimulatoren endnu engang for at sikre, at alle forbindelser mellem kabler, filterkasser og stimulatoren bliver korrekt udført.

3. MR-scanning og eksperiment

  1. Før scanningen begynder, test atPræsentationsdatabasen registreres, når motivet skubber svarknapper.
  2. Opnå højopløselige T1-vægtede anatomiske data ( f.eks . Tredimensionel turbo hurtig lavvinkelspring, ekotid (TE): 3,26 ms, gentagelsestid (TR): 2.250 ms, inversionstid: 900 ms, flipvinkel 9 °, Isotrop opløsning på 1 x 1 x 1 mm 3 ).
    1. Efter overtagelsen skal du justere kontrast og vindue på den anatomiske MR til lave og høje ekstremer for visuelt at detektere støj under scanningen, der kan følge af stimulatoropsætningen. Fortsæt denne visuelle overvågning af støj samtidig med funktionel billedkøb.
  3. Start eksperimentet på præsentationscomputeren, klar til at begynde med scannertrykeren, og start stimulatoren til at vente på præsentationscomputerens udløser. Lad stimulatoren være på og tilsluttet hele fMRI-eksperimentet for at undgå forskelle i det tidsmæssige signal-støjforhold (tSNR) mellem stimulatorTil og fra betingelser 22 .
  4. Start fMRI-scanningen ( f.eks . Todimensional T2 * -vægtet gradient-ekko-ekko-plan billeddannelse; TE: 30 ms, TR: 2,000 ms, flipvinkel 70 °, 33 skiver med 3 mm tykkelse, ingen mellemrum mellem skiver på En opløsning i planet på 3 x 3 mm 2 , 210 volumener i syv minutters scanning), som udløser forsøget på præsentationscomputeren. Overvåg stimulatordisplayet for at sikre, at strømmen sendes på ønskede tidspunkter gennem forsøgsforsøgene.

4. Eksperiment Konklusion

  1. Efter at eksperimentet er kørt, og scanningen er færdig, skal du tage den indvendige filterkasse ud af kablet, der er forbundet med gummielektroderne, før du flytter scanneren, fjern motivet fra scanneren og fjern elektroderne, og lad det være gratis at vaske håret.
  2. Sluk stimulatoren og sæt den i igen for at genoplade. Rengør gummielektroderne med vand til deres nexT bruge.

Representative Results

Figur 2 og Figur 3 viser repræsentative billeder erhvervet til udstyrsstøjtest i henholdsvis et fantom og et humant individ. I hver række viser figur 2 og figur 3 repræsentative aksiale skiver fra et erhvervet volumen eller beregnet kort, der er mærket tilsvarende over rækken. Det højeste billede på hver række er en sagittal repræsentation af det tilsvarende volumen eller det beregnede kort, der angiver aksialskiveplaceringer med blå linjer. Bortset fra den første række, som illustrerer elektrodeplacering i hvidt, overlejres lydstyrken på et T1-vægtet billede i hver figur. Bemærk, at der ikke er nogen forvrængning eller signaludfald fra elektroderne i de T1-vægtede billeder. Den anden række i figur 2 viser repræsentative funktionelle MR-data, der er erhvervet med tACS-opsætningen på plads og drejetpå. I phantom i figur 2 bemærker, at der er noget signalfald og forvrængning på grund af elektroderne, men rækken 2 i figur 3 viser, at disse forvrængninger ikke strækker sig ud over hovedbunden i et fag. Række tre og fire i figur 2 viser støjmålinger i volumenet, som er erhvervet under anvendelse af de samme parametre som fMRI-dataene, men uden en RF-excitationspuls. Billederne viser lydniveauet i scannerkammeret og MR-hardware under scanningen. Række tre er en støjmåling med tACS slukket, og række fire er en med tACS på. I den femte og sjette række i figur 2 er tSNR kort til funktionelle kørsler med henholdsvis tACS-opsætningen og stimulatoren fra og til. TSNR kort beregnet ud fra data erhvervet i det menneskelige emne, der vises i figur 3 rækker tre, med tACS off og fire, med tACS på. Bemærk, at der ikke er nogen synlig forskelIntensitet i sammenligning mellem stimuleringsbetingelser. Som vi demonstrerede i en tidligere undersøgelse producerer tACS-udstyret omkring 5% fald i tSNR i billeder sammenlignet med dem, der er erhvervet uden tACS-opsætningen, men tSNR bør forblive stabil over stimulering af og på betingelser 22 .

Figur 4 repræsenterer en række billeder, der viser signalfald, der kan forekomme, når der anvendes ikke-MR-kompatible elektroder. Skiver fra et fMRI-volumen erhvervet af et emne med elektroder, som kan have nogle metalforurening, viser signalfald under elektroden anbragt groft over primærmotorcortex, som angivet med røde cirkler.

Figur 5 viser resultater af et forsøg, der tester virkningerne af den nuværende styrke på 16 Hz Cz-Oz-tACS på BOLD-signalet i emner, hvis eneste t Spørg er central krydsfiksering. Gennem eksperimentet blev 12 sekunders perioder af tACS interleaved med ikke-stimuleringsperioder varierende fra 24 til 32 sekunder. I en pseudorandomiseret rækkefølge blev tACS påført med en anden strømstyrke (500 μA, 750 μA, 1.000 μA, 1.500 μA) i hver af fire forsøg. Figur 5A viser begivenhedsrelaterede gennemsnit af BOLD-signalet for statistisk signifikante klynger, med stigende effekt på BOLD-signalet med øget strømstyrke. Derudover viser figur 5B strømstyrke-specifikke T-score-kort, der illustrerer regional specificitet af effekter såvel som stigende rumlig effekt med øget strømstyrke. Det er også værd at bemærke, at BOLD aktivitet i frontale regioner blev ændret signifikant, hvilket viste, at moduleringer ikke altid var lige under elektroderne. For detaljer, se Cabral-Calderin og kollegaer 22 .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 6 viser repræsentative resultater af et forsøg, der tester frekvensafhængigheden af ​​tACS-effekter under en visuel opfattelsesopgave. Fagene rapporterede den opfattede retning af en bistabil roterende kugle. Samtidig blev tACS påført elektroder placeret ved Cz og Oz ved en af ​​tre stimuleringsfrekvenser (10 Hz, 60 Hz eller 80 Hz) i hver af tre separate sessioner. Figur 6A illustrerer eksperimentets timing med visuel præsentation og tACS-perioder mellem Blokker af central krydsfiksering. TACS-tilstand og interaktionskort med frekvensvirkninger og klynge-post-hoc-test viser frekvensspecifikke effekter i parietalcortex med 10 Hz tACS-faldende og 60 Hz stigende signal ( figur 6B ). Figur 6C viser T-score Kort over specifikke effekter af 60 Hz tACS, der strækker sig ud over parietal cortex for at inkludere nogle occipiTal og frontale regioner. For forsøgs- og analysedetaljer henvises til Cabral-Calderin et al. 22 .

figur 1
Figur 1: TACS opsætning i scanneren. ( A ) TACS opsætning med alle nødvendige elementer. Stimulatoren og kablerne er tilsluttet uden for MR-afskærmet rum. Også vist er EEG cap, målebånd og ledende gel anvendt til elektrode placering. ( B ) Ydre Filterboks og Stimulator Placeret udenfor Scannerrummet. LAN-kablet (ikke synligt i figuren) kommer fra scannerkammeret via RF-bølgelederøret og forbindes til den ydre filterkasse, med så lidt LAN-kabel som muligt uden for scannerrummet. Stimulatoren skal forbindes til den ydre filterkasse såvel som til præsentationscomputerens udgangskabel. ( C )Scannermiljø med eksperimentel opsætning. Afbildning af tACS-opsætning, herunder præsentationscomputer, scannerdator og triggerudgang og projektor. ( D ) Emnepositionering til eksperiment. Vigtige elementer omfatter puder, kabelplacering, spejle og hovedspole. Filterboksen er anbragt på scanner sengelænde som et eksempel på placering i boringen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2
Figur 2: Kvalitetsvurdering MR-billeder erhvervet af et fantom. Række 1: Højopløste anatomiske T1-vægtede billedaksiale skiver med deres positioner angivet med blå linjer på en sagittal skive til højre (ses også i hver række). På sagittalplanet er elektrodepositioner illustreret Klassificeret i hvidt. Række 2: T2 * -vægtede ekko-plane billedskiver med magenta pile, der indikerer signalfald og forvrængning på grund af elektroder og / eller elektrodgel. På sagittalplanet er positioneringen af ​​det tilsvarende volumen vist som en overlejring (ses også i hver følgende række). Række 3: Støjbillede skiver erhvervet med fMRI eksperimentelle parametre og ingen RF excitationspuls, mens tACS opsætningen er på plads og tændt, men ikke stimulerende. Række 4: No-RF-excitation billede erhvervet med tACS opsætning på plads og stimulator på og stimulerende ved 16 Hz. Række 5: TSNR-kort beregnet ud fra data erhvervet med tACS-opsætningen på plads og tændt, men ikke stimulerende. Række 6: TSNR-kort beregnet ud fra data erhvervet med tACS-opsætningen på plads og stimulerende ved 16 Hz. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/>
Figur 3: Kvalitetsvurdering MR-billeder erhvervet af et emne. Række 1: Højopløste anatomiske billedaksiale skiver med deres positioner angivet med blå linjer på en sagittal skive til højre (set i hver række). Elektrodepositioner er illustreret i hvid på sagittal-visningen. Række 2: T2 * -vejede ekko-plane billedskiver, der ikke viser signalfald på grund af elektroder og / eller elektrodgel. På sagittalplanet er positioneringen af ​​det tilsvarende volumen vist som en overlejring (ses også i hver følgende række). Række 3: TSNR-kort beregnet ud fra data erhvervet med tACS-opsætningen på plads og tændt, men ikke stimulerende. Række 4: TSNR-kort beregnet ud fra data erhvervet med tACS-opsætningen på plads og stimulerende ved 16 Hz. Klik her for at se en større version af denne figur.


Figur 4: Signaludfald på grund af en forurenet elektrode. Skiver fra et fMRI-volumen erhvervet af et individ ved anvendelse af en forurenet elektrode anbragt groft over motorens cortex håndskifte. Røde cirkler angiver områder under elektroden med signaludfald. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5
Figur 5: Effekt af strømstyrke på tACS-modulering af BOLD-signalet. ( A ) F-score-kort, der viser hovedvirkningen af ​​strømstyrken på effekten af ​​16 Hz tACS. En væsentlig hovedvirkning af den nuværende styrke i en envejs rANOVA [indenfor Faktor: strømstyrke (500, 750, 1000, 1500 μA)] er tydelig. Tegningerne viser det hændelsesrelaterede gennemsnitlige tidskursus for BOLD-signalet for tACS-on-perioderne for hver strømstyrke. Skyggede områder angiver standardfejl for middelværdien på tværs af emner. MedialFG = medial frontal gyrus, IPS = intraparetalsulcus, IFG = inferior frontal gyrus, PrC = precentral gyrus, L = venstre, R = højre, * klynge ikke korrigeret for flere sammenligninger. ( B ) T-score Kort viser BOLD Aktivitetsændringer under 16 Hz tACS for hver nuværende styrke. Ingen signifikant effekt blev fundet med 500 μA tACS. LH = venstre halvkugle; RH = højre halvkugle. Dette billede er blevet ændret fra Cabral-Calderin et al. 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.

Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/>
Figur 6: Effekt af tACS på BOLD-signalet i en visuel opfattelse. ( A ) Schematisk repræsentation af eksperimentet. Visual stimulus og tACS blev anvendt i et blok design, med 30 s on-off tACS blokke forekommende under 120 sek blokke af visuel stimulus præsentation. Hver frekvens blev testet i en anden session. SfM = struktur-fra-bevægelse. ( B ) TACS Tilstand og Frekvens Interaktion Effekt. F-statistiske kort, der viser signifikans i tovejs rANOVA [inden for faktorer: tACS (on, off), frekvens (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] og beta estimater for to repræsentative klynger i post-central gyrus. Kontinuerlige linjer og sorte stjerner markerer signifikante forskelle for post-hoc sammenligninger for tACS on-off interaktionsvirkninger på 10 Hz mod 60 Hz og 10 Hz versus 80 Hz, og røde asterisker indebærer en signifikant forskel for tACS mod versus post-hoc test. PoC = postcentral gyrus, IPS = intraparetalsulcus. ( C ) T-score Kort over 60 Hz tACS. Væsentlige forskelle, der sammenligner 60 Hz tACS på versus off. Dette billede er blevet genoptrykt fra Cabral-Calderin et al. 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Her har vi beskrevet proceduren for et simultant opsætning og udførelse af tACS-fMRI-eksperiment ved hjælp af et MR-kompatibelt tACS-system. Nogle trin i denne procedure kræver særlig opmærksomhed, især med hensyn til emneopsætning. Den MR-kompatible stimulator og opsætning, der anvendes i dette eksperiment, har en minimumsimpedans på ca. 12 kΩ kun med kabler, filterkasser og elektroder, og producenten anbefaler 20 kΩ minimum impedans med elektroder, der er forbundet med motivet. Dette krav afhænger af stimulatorprodukt og fabrikant. Ved anvendelse af elektroder til motivet, hvis impedansen er for høj, kan der tages nogle trin for at reducere denne værdi bortset fra at trykke på elektroderne. For eksempel kan det være lettere at først dække de markerede og rengjorte steder i hovedbunden med elektrodgel, herunder håret, før elektroden presses på hovedbunden. Dette sikrer den nuværende spredning på tværs af det ikke-ledende materiale imidlertid,Pas på at begrænse elektrodgeldækningen til omtrent det samme overfladeareal som elektroderne til likestrøm spredt til det ønskede stimuleringsområde. Vær særligt opmærksom på dette, hvis elektroderne er tæt sammen, fordi den nuværende skråning mellem elektroderne kan forekomme via overskydende elektrodgelkontakt. Hvis elektroden er på bagsiden af ​​hovedet, hvor motivet ligger direkte på det, skal der tages særlig hensyn til at placere puder bag hovedet, således at motivet ikke bliver ubehageligt, da forsøget fortsætter; Dette ubehag er muligvis ikke et problem for faget, men erfaringen viser, at der opstår smerte og stiger med tiden. Som med alle fMRI-eksperimenter introducerer emnet bevægelse også problematiske konfronter, så det er vigtigt, at motivet er komfortabelt med alle kabler og elektroder på plads.

Det vigtigste aspekt af opsætningen at overveje er den støj, der potentielt introduceres iTil MR-miljøet, der kan fremkalde billedgenstande og forvrængninger. Forud for eksperimentet er det forsigtigt at teste for billedgenstande med hele tACS-opsætningen på plads. Et normalt sfærisk fantom kan anvendes, hvilket sikrer elektroder med elektrodgel. Det er vigtigt at tilvejebringe en vis måde for strømmen at rejse mellem elektroder, hvilket kan opnås ved at påføre en generøs mængde elektrodgel i en vej fra en elektrode til den anden. Kør hele eksperimentet som planlagt for emnet, herunder parametervariationer som frekvens og strøm. Under scanningssessionen muliggør justering af kontrast og vinduer til ekstremer i billedfremviseren på MR-scannerens styreenhed lettere visuel registrering af støj. Når der overvåges visuelt for støj før og under eksperimentet, kan der opstå støj som pigge i billedet med højintensitet, mønstre, hvor signalet ikke måles eller varierende intensitet over tid som eksempler. Erhvervelse af fMRI data med RF excitatioN-puls er slukket giver information om scannermiljøstøj under scanning uden at erhverve det egentlige billedsignal (se figur 2 ). Denne støjtest kan udføres i hver scanningssession. Hvis der er variationer i støj, skal du kontrollere, at alle kabler er intakte og godt forbundet med stimulator, elektroder og filterkasser. Ingen kabler bør sidde i sløjfer. Støj eller forvrængning kan opstå fra brudte kabler, elektroder med metalforurenende stoffer i gummi (på trods af at de sælges som MR-kompatible) og defekte forbindelser, blandt andre muligheder. Stimulatoren er batteridrevet for at minimere elektrisk støj i opsætningen; Sørg for, at det er fuldt opladet før hvert forsøg, og at det forbliver på og tilsluttet hele eksperimentet. TSNR i funktionelle billeder vil falde omkring 5% med den tilsluttede stimulator, men værdierne skal være stabile på tværs af stimuleringsbetingelser 22 . Samtidig transcraniel elektrisk stimulering-fMRI test oN cadavers har vist, at der ikke er nogen artefakter forbundet med vekselstrøm stimulering, hvilket er en fordel i forhold til likestrøms stimulation 30 . Teoretisk set kan denne mangel på artefakter forklares ved en netstrøm på nul på det tidspunkt billedet er erhvervet 30 . For nogle af de eksperimenter, der udføres i vores laboratorium, er opkøbstiden eller TR imidlertid ikke et multipel af stimuleringsfrekvensen. Efter at have gennemført de støjprøver, der er nævnt i denne protokol og undersøgte billeder til artefakter, som ikke var synlige, konkluderede vi, at en hvilken som helst forskel i strømmen fra nul er lille og for ubetydelig for at fremkalde artefakter.

Et andet kritisk punkt for succesfulde eksperimenter er, at præsentationscomputeren modtager scannerens triggerudgang, og at stimulatoren modtager udløseren fra præsentationscomputeren. Før eksperimentet skal du programmere det visuelle stimulusdesign og timingen ved hjælp af thE ønsket software. Dette program skal bruge udløsere til at synkronisere den visuelle stimuluspræsentation med MR-scanneren og stimulatoren; Det starter med en trigger, der udskrives fra MR-scanneren og sender også udgangsstiggere til stimulatoren ved ønskede stimuleringstider. En nem måde at kontrollere udløserkommunikation under opsætningen på er at bruge et oscilloskop, der er fastgjort med et BNC-kabel til scannerudløserudgangen samt præsentationscomputerudgangen. I vores opsætning udsender MR-scanneren en trigger (bytte) for hvert funktionsvolumen, der er erhvervet, og præsentationscomputeren udsender et signal som programmeret via præsentationssoftwaren. Analysen af ​​et veludformet eksperiment hviler kritisk på korrekt timet stimulation.

Nogle trin i dette eksperiment kan tilpasses som nødvendigt til laboratorieindstillingskravene. For eksempel beskriver denne opsætning ved hjælp af en projektor og spejle til visuel stimuluspræsentation, dog den visuelle stimulansTput-enhed kan være MR-sikre væskekrystal-beskyttelsesbriller eller en MR-sikker skærm, valgt ud fra eksperiment og laboratoriepræferencer eller begrænsninger. MRI-scanningsparametre skal også skræddersys til eksperimentet. Det er værd at bemærke, at der bør tages hensyn til det passende valg af forsøgskontrol for tACS, selv om et simpelt svar ikke eksisterer. En kort sham-stimulering på 30 sekunder kan efterligne den somatosensation induceret af tACS, som i sidste ende mindskes med langvarig stimulering; Nogle undersøgelser viser imidlertid, at selv korte stimuleringsperioder kan fremkalde oscillatorisk entrainment 12 . En anden mulig kontrol, som kan anvendes til tACS, er at stimulere ved at anvende en ikke-effektiv frekvens, eller med andre ord en anden frekvens end den ene af interesse. Undtagelsen her ville være, at somatosensation og phosphens opfattelse varierer afhængigt af stimuleringsfrekvensen 31 . Endelig vedrørende subjektive oplevelser af stimTACS-inducerede fosfener varierer over enkeltpersoner, så for at bedst indfange emnevariationer bør du overveje at bruge et detaljeret ratingsystem for fosfensperception og bruge lidt tid med emnet, der beskriver de forskellige funktioner i phosphener ( f.eks . Placering, intensitet) Kan opstå, så motivet kan evaluere hans eller hendes oplevelse nøje under stimulering 32 , 33 .

De repræsentative resultater vist her antyder, at tACS-effekter er aktuelle afhængige, frekvensafhængige, og at moduleringen ikke er begrænset til regionerne under elektroderne, men strækker sig til fjerne, sandsynligvis funktionelt forbundne regioner. En begrænsning af denne teknik er den tidsmæssige opløsning af fMRI såvel som af BOLD-responsen. Dataopsamlingen og det hæmodynamiske respons er ikke så hurtige som stimuleringsfrekvensen eller den elektriske aktivitet i hjernen, så direkte interaktioner med frekvensen-specifikke virkninger af tACS kan ikke måles. I betragtning af at den største andel af videnskabelig litteratur om tACS-virkninger er af adfærdsmæssige undersøgelser, og at tACS naturligvis påvirker et helt kompliceret neuralt system, er det klart, at samtidige tACS-fMRI-eksperimenter har meget at tilbyde for at informere os om tACS-effekter i hjernen. EEG og MEG giver indsigt på niveauet af tidsmæssige opløsninger, der matcher neurale aktiviteter. Imidlertid lider EEG og MEG af rumlig opløsning og kortikale dybdebegrænsninger eller beregningsintensive kildekonstruktionsteknikker. Stimuleringsfrekvens og harmoniske artefakter, som overordnede hjerne signaler af interesse registreret ved de samme frekvenser, komplicerer yderligere EEG- og MEG-analyser. Der er blevet anvendt innovative løsninger til at løse nogle af disse udfordringer. Helfrich et al. Ansat en ny teknik til fjernelse af tACS artefakt fra EEG data ved hjælp af en artefakt template subtraktion og princip komponent analyse 15 34 . Med henblik på at anvende tACS i forskning for bedre at forstå normal og unormal hjernefunktion og i sidste ende klinisk til diagnostik eller terapi bør tACS kombineres separat med EEG, MEG og fMRI for at komplementere etablere bedste praksis for specifikke ønskede effekter, som kan skræddersys Specifikt til enkeltpersoner. Når sådanne fremgangsmåder er etableret, kan effektive undersøgelser udføres for bedre at forstå funktionen af ​​neurale svingninger ( fx klart definere funktionelle roller og relationer af forskellige frekvensbånd) og deres modulering med tACS (Fx om mekanismen forekommer gennem inddragelse eller plastændringer 35 ).

I betragtning af fremtidige retninger er den her beskrevne opsætning skræddersyet til fMRI-eksperimenter, der studerer opfattelse eller kognition, som det her beskrevne struktur-fra-motion-studie har vist. Cabral-Calderin og kolleger viste, at aktivering i områder af den occipitale cortex var afhængig af opgave- og tACS-frekvensen i et videoovervågning versus finger-tapping-eksperiment 22 . I et simultant tACS-hvilende tilstand fMRI-studie viste Cabral-Calderin og kollegaerne frekvensafhængige effekter af tACS på egentlige funktionelle forbindelses- og hvilestatistiske netværk 23 . Vosskuhl et al . Kombineret tACS og fMRI for at vise BOLD reduktion under en visuel årvågenhed opgave ved individuel alfa frekvens stimulering 24 . Alekseichuk og kolleger viste, at de umiddelbare eftervirkninger af 10 Hz tACS modulerer BOLD signalet under en visuel opfattelse af ternet ringe og kiler, hvilket indikerer en ændring i den neurale metabolisme af en passiv opfattelsesopgave 36 . Disse undersøgelser satte scenen for samtidige tACS-fMRI undersøgelser til at sonde funktionsmekanismer på mange niveauer, fra metabolisme til kognition. På et så tidligt stadium i brugen af ​​tACS til translationel forskning er der stort potentiale for samtidige tACS-fMRI eksperimenter til at føje til forståelsen af ​​både stimuleringsteknikken og oscillationsbidrag til kognitive funktioner.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker Ilona Pfahlert og Britta Perl for teknisk assistance under funktionelle billeddannelsesforsøg og Severin Heumüller for fremragende computer support. Dette arbejde blev støttet af 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