Stimolazione corrente alternata transcranica simultanea e funzionalità di risonanza magnetica

Behavior
 

Summary

La stimolazione transcranica di corrente alternata (tACS) è uno strumento promettente per l'indagine non invasiva delle oscillazioni cerebrali, anche se i suoi effetti non sono completamente compresi. Questo articolo descrive una configurazione sicura e affidabile per l'applicazione di tACS simultaneamente con la funzione di risonanza magnetica funzionale, che può aumentare la comprensione della funzione cerebrale oscillatoria e degli effetti 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 stimolazione transcranica di corrente alternata (tACS) è uno strumento promettente per l'indagine non invasiva delle oscillazioni cerebrali. TACS impiega una stimolazione frequenza specifica del cervello umano attraverso la corrente applicata al cuoio capelluto con elettrodi superficiali. La maggior parte delle conoscenze attuali della tecnica si basa su studi comportamentali; Quindi, combinare il metodo con l'imaging del cervello ha il potenziale per comprendere meglio i meccanismi del tACS. A causa di manufatti elettrici e di suscettibilità, la combinazione di tACS con immagini cerebrali può essere impegnativa, tuttavia una tecnica di imaging del cervello che è adatta per essere applicata simultaneamente con tACS è un'immagine funzionale di risonanza magnetica (fMRI). Nel nostro laboratorio abbiamo combinato con successo tACS con misurazioni fMRI simultanee per dimostrare che gli effetti tACS sono stati dipendenti da stato, corrente e frequenza e che la modulazione dell'attività cerebrale non è limitata all'area direttamente sotto gli elettrodi. Questo articolo descrive un set sicuro e affidabilePer applicare tACS simultaneamente con studi fMRI di attività visiva, che possono prestare alla comprensione della funzione cerebrale oscillatoria e degli effetti del tACS sul cervello.

Introduction

La stimolazione transcranica della corrente alternata (tACS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva con promesse per indagare le oscillazioni neurali e le funzioni cerebrali specifiche di frequenza in individui sani, nonché per studiare e modulare oscillazioni nelle popolazioni cliniche 1 . Usando due o più elettrodi conduttori collocati sul cuoio capelluto, le onde sinusoidali a bassa corrente (picco-picco da 1-2 mA) vengono applicate al cervello a una frequenza desiderata per interagire con oscillazioni neurali in corso. Gli studi di TACS hanno misurato le modulazioni comportamentali o cognitive specifiche di frequenza e di comportamento, tra cui, ma non limitate, la funzione motoria 2 , la prestazione della memoria di lavoro 3 , la somatosensazione 4 e la percezione visiva 5 , 6 , 7 . Applicare corrente alternata in modo non invasivo ha anche portato a funzionareMiglioramento nei pazienti neurologici, come la riduzione del tremore nella malattia di Parkinson 8 , una migliore visione della neuropatia ottica 9 e un miglioramento del ritmo del parlato, del sensore e del motore dopo l'ictus 10 . Nonostante un numero crescente di studi che utilizzano tACS per la ricerca e la prova del potenziale terapeutico in ambito clinico, gli effetti di questa tecnica non sono completamente caratterizzati e i meccanismi non sono completamente compresi.

Le simulazioni e gli studi sugli animali possono fornire informazioni sugli effetti della stimolazione di corrente alternata a livello di rete cellulare o neurale in condizioni controllate 11 , 12 , ma data la dipendenza statale di tecniche efficaci di stimolazione 13 , 14 , tali studi non rivelano l'intero quadro . Combinazione di tACS con tecniche di neuroimagingCome l'elettroencefalografia (EEG) 15 , 16 , 17 , la magnetoencefalografia (MEG) 18 , 19 , 20 , o la funzione di risonanza magnetica funzionale (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 può informare sulla modulazione a livello di sistema della funzione cerebrale. Tuttavia, ogni combinazione è dotata di sfide tecnologiche, soprattutto a causa di artefatti indotti dalla stimolazione nella misurazione delle frequenze di interesse 15 . Anche se la risoluzione temporale di fMRI non può corrispondere a misurazioni EEG o MEG, la sua copertura spaziale e la risoluzione nelle regioni cervicali e subcorticali del cervello è superiore.

Recentemente, in uno studio combinato tACS-fMRI, abbiamo mostrato che gli effetti del tACS sul livello di ossigenazione del sangue dIl segnale di ependent (BOLD) misurato con fMRI è sia di frequenza che di attività specifica e che la stimolazione non necessariamente esercita il suo più grande effetto direttamente sotto gli elettrodi, ma in regioni più lontane dagli elettrodi 22 . In uno studio successivo abbiamo studiato l'effetto della posizione e della frequenza dell'elettrodo tACS sulla funzione di rete usando l'ampiezza delle fluttuazioni a bassa frequenza e la connettività funzionale di riposo, tra cui l'utilizzo di sementi di correlazione delle regioni più direttamente stimolate derivanti dalla densità di corrente soggetta simulazioni. Più in particolare in questo studio, la stimolazione alfa (10 Hz) e gamma (40 Hz) spesso ha suscitato effetti contrari nella connettività di rete o sulla modulazione regionale 23 . Inoltre, la rete di stato di riposo più colpita era la rete di controllo fronto-parietale sinistro. Questi studi evidenziano il potenziale di utilizzare fMRI per determinare parametri ottimali per un efficace, controllato stimulation. Inoltre, contribuiscono a dimostrare che, a parte i parametri controllati, quali condizioni di funzionamento e tempi, la frequenza di stimolazione e le posizioni degli elettrodi, ci sono fattori specifici soggetti che influenzano il successo del tACS. Esempi di caratteristiche soggettive che si traducono come variabili incontrollabili nell'ottimizzazione dei parametri di stimolazione sono la connettività funzionale intrinseca, la frequenza di picco dell'oscillazione endogena ( ad es. , Frequenza di alfa individuale) e lo spessore del cranio e della pelle 25 . Considerando l'attuale corpo di letteratura relativa a tACS, sono necessari ulteriori studi che combinano tACS con misurazioni neurali come la neuroimaging, per stabilire procedure complete per efficaci tecniche di stimolazione cerebrale.

Qui descriviamo una configurazione sicura e affidabile per esperimenti applicando tACS simultaneamente con fMRI di un'attività visiva, concentrandosi sugli aspetti dell'installazione e dell'esecuzione che producono con successo la tAC sincronizzataS con l'acquisizione senza fucilazione di dati fMRI.

Protocol

Condurre tutti gli esperimenti in conformità con le linee guida del comitato di etica istituzionale. Per tutti gli studi citati in questo manoscritto, tutte le procedure sono state eseguite in base alla dichiarazione di Helsinki e approvate dal Comitato Etico locale dell'University Medical Center Göttingen.

1. Stimolazione e impostazione del computer prima dell'esperimento

  1. Configurazione dello stimolatore
    NOTA: Lo stimolatore utilizzato per questo esperimento fMRI è un sistema compatibile a risonanza magnetica (MR) appositamente progettato dotato di una scatola filtrante interna di tipo MR, di una cassetta filtrante esterna, di resistori di sicurezza, di cavi accoppiati e di materiali MR-safe. Alcune istruzioni riguardano specificamente le istruzioni del produttore e possono variare quando si utilizza un altro stimolatore, pertanto attenersi alle istruzioni fornite dal produttore che possono costituire eccezioni a questa configurazione. La figura 1A mostra lo stimolatoreComponenti utilizzati in questa configurazione sperimentale.
    1. Navigare nel menu dello stimolatore per programmare i parametri sperimentali desiderati (per ulteriori dettagli, consultare il manuale dell'utente). Ad esempio, per una frequenza di stimolazione di 10 Hz, programma 10 cicli per il tempo di rampa / discesa di 1 s, 300 cicli sinusoidali per 30 s di stimolazione, resistenza di corrente pari a 1000 μA e modalità di ripetizione ripetuta, come condotto per il nostro Se non diversamente indicato. Salvare il programma da caricare ogni volta che l'esperimento viene eseguito in seguito.
    2. Collegare l'uscita del trigger di calcolatore di presentazione dello stimolo allo stimolatore utilizzando un cavo BNC.
    3. Posizionare un cavo di rete locale (LAN) non magnetico, schermato tramite il tubo d'onda radiofrequenza (RF) dall'interno della stanza dello scanner. Per evitare l'accoppiamento capacitivo risonante, assicurarsi che il cavo sia privo di loop e posizionato lungo la parete della stanza, portando alla parte posteriore del foro del magnete e lungo la guida a scorrimento laterale destroG all'interno del foro, portando alla posizione della scatola del filtro interno (vedere la figura 1C e la nota di sicurezza nella fase 2.4 relativa alla posizione del cavo). Fissare il cavo con il nastro posto intermittente lungo la sua lunghezza.
  2. Caricare il programma di stimolo visivo su un computer di presentazione designato separato dal computer di controllo dello scanner. Come illustrato nella figura 1C , collegare il computer di presentazione all'uscita di scansione dello scanner tramite un convertitore ottico-elettrico e ad un dispositivo di uscita ( cioè proiettore) collocato in un contenitore schermato o al di fuori della stanza magnetica. Utilizzare specchi non magnetici per orientare la proiezione su uno schermo all'interno del foro dello scanner.

2. Soggetto Arrivo e preparazione

  1. Prevedere soggetti reclutati per tutte le controindicazioni per la scansione MR ( ad es. , Nessun impianto metallico, nessuna claustrofobia, prerequisiti specifici per l'esperimento) comeCosì come per il tACS ( ad esempio , storia di epilessia, cefalea cronica, gravidanza) 26 , 27 .
  2. Quando arriva il soggetto, indica l'argomento sui dettagli dell'esperimento fMRI e descrive l'esperienza da aspettarsi ( ad esempio , stimolo visivo, formicolio o fosfeni da tACS, istruzioni di task speciali).
  3. Posizionare gli elettrodi secondo il sistema EEG 10-20 e la preparazione dello stimolatore.
    1. Utilizzando una misura a nastro, misurare la distanza della testa del soggetto dalla nasione all'inione, e dall'orecchio all'altro, sulla parte superiore della testa. L'intersezione di entrambe le lunghezze dà la posizione sulla testa per Cz, secondo il sistema EEG 10-20. Segna il punto per Cz sul cuoio capelluto utilizzando un marcatore.
    2. Posizionare un cappuccio EEG senza elettrodi sulla testa del soggetto, con Cz allineato al segno sul cuoio capelluto del soggetto, determinare la posizione desiderata degli elettrodi e contrassegnarli.
      NONE: È importante che tutti gli esperimenti utilizzino lo stesso sistema di collocamento per garantire la coerenza attraverso tutti gli esperimenti; Il sistema EEG 10-20, comunemente utilizzato negli esperimenti di stimolazione transcranica, ha linee guida specifiche per mantenere il posizionamento preciso degli elettrodi 26 , 28 .
    3. Utilizzando alcol e pastiglie di cotone, pulire i capelli e la pelle e attorno ai punti contrassegnati sul cuoio capelluto del soggetto; Rimuovere gli oli ei prodotti per i capelli.
    4. Spalmare un po 'di gel sugli elettrodi di gomma e premere saldamente ciascun elettrodo sulle posizioni contrassegnate e pulite sul cuoio capelluto del soggetto, assicurando il contatto completo dall'elettrodo al gel conduttivo al cuoio capelluto con un'impedenza minima.
    5. Utilizzando un cavo LAN schermato di riserva, collegare le casse filtranti e i cavi MR-safe allo stimolatore e agli elettrodi di gomma come mostrato in Figura 1A .
    6. Accendere lo stimolatore e provare l'impedenza (consultare l'utenteManuale per i dettagli). Se l'impedenza non è inferiore a 20 kΩ, premere gli elettrodi sul cuoio capelluto o aggiungere gel elettrodo, se necessario, fino a quando questa linea di impedenza non viene rispettata.
    7. Quando l'impedenza è inferiore a 20 kΩ, consentire allo stimolatore di emettere corrente per alcuni secondi per familiarizzare l'oggetto con l'esperienza sensoriale. Chiedere al soggetto la percezione sensoriale durante questo test, anche se la sensazione di formicolio esiste e può essere sopportata, e l'estensione o la posizione dei fosfeni durante la stimolazione.
    8. A questo punto, l'oggetto è pronto a passare al letto dello scanner. Lasciando il cavo dell'elettrodo inserito negli elettrodi di gomma sul soggetto, scollegare lo stimolatore, il cavo di ricambio LAN e le scatole filtranti esterne e interne.
    9. Collegare la scatola filtro esterna al cavo LAN che attraversa la guida d'onda sullo scanner MR, lasciando il meno possibile il cavo LAN esposto al di fuori della guida d'onda (vedere la Figura 1B ). Collegare ilStimolatore alla scatola filtro esterna usando il cavo stimolatore e verificare che lo stimolatore sia collegato all'uscita del grilletto di presentazione.
  4. Preparare l'oggetto all'interno dello scanner MR.
    NOTA: la Figura 1C mostra la configurazione completa di tACS-fMRI durante l'esperimento. È fondamentale predisporre i cavi e la scatola del filtro interno come specificato, con il cavo dell'elettrodo disposto ad un angolo di circa 90 ° rispetto al piano del letto dello scanner e della scatola filtrante interna appoggiata sul parapetto della scansione sul lato destro dello scanner foro. La mancata manutenzione può danneggiare il circuito di sicurezza del cavo elettrodo; Questa configurazione si applica sia alle bobine RF aperte che chiuse.
    1. Dopo aver assicurato che il soggetto sia privo di materiali magnetici e pronto per l'esperimento MRI, portare il soggetto nella stanza dello scanner.
    2. Dare i tappi per le orecchie per la protezione dell'udito al soggetto e insegnare al soggetto di mentireSul letto dello scanner, collocando cuscini intorno e sotto la testa e sotto le gambe per il comfort e per ridurre il movimento. Quando si posizionano i cuscini dietro la testa del soggetto, prestare particolare attenzione a posare il cavo dell'elettrodo piatto e in una posizione comoda per il soggetto di rimanere per tutta la durata dell'esperimento.
    3. Dare alla casella del pulsante di allarme e alla risposta MR-safe al soggetto in modo tale che sia necessario un movimento minimo per spingere un pulsante per rispondere nell'esperimento.
    4. Fissare la bobina della testa RF sopra la testa del soggetto con uno specchio fissato in modo che il soggetto possa vedere lo schermo di proiezione riflessa nell'orientamento corretto.
    5. Assicurare temporaneamente l'estremità libera del cavo dell'elettrodo proveniente dagli elettrodi di gomma ad un posto nella bobina di testa in modo che non blocchi quando il letto si muove. Figura 1D mostra la testa del soggetto posizionata nella bobina di testa con cuscini, specchio e cavo tACS in posizione bPrima di spostare il letto alla bobina centrale per l'imaging. La scatola filtrante è anche indicata sulla ringhiera dello scanner, come esempio di dove deve essere posizionata rispetto alla bobina di testa quando il letto dello scanner è in posizione di misurazione.
    6. Spostare il letto dello scanner nella posizione di misurazione. Dalla parte posteriore del foro dello scanner, collegare il cavo dell'elettrodo dagli elettrodi di gomma alla scatola filtro interna che si collega al cavo LAN, come illustrato nella figura 1C . Per evitare movimenti in eccesso durante la scansione, fissare i cavi e la scatola filtro lungo la ringhiera del letto dello scanner a destra del foro con nastri e sacchetti di sabbia. Posizionare la schermata del proiettore nell'estremità posteriore del foro dello scanner.
    7. Provare ancora una volta l'impedenza dello stimolatore per assicurarsi che tutti i collegamenti tra cavi, cassette filtranti e stimolatore siano fatti correttamente.

3. MR scansione e esperimento

  1. Prima che la scansione inizia, prova che il fileIl computer di presentazione registra quando il soggetto sposta i pulsanti di risposta.
  2. Acquisizione di dati anatomici ponderati con T1 ad alta risoluzione ( ad esempio , tiro a tre corse a turbine a tre corse, tempo eco (TE): 3,26 ms, tempo di ripetizione (TR): 2,250 ms, tempo di inversione: 900 ms, angolo di inclinazione 9 °, Risoluzione isotropica di 1 x 1 x 1 mm 3 ).
    1. Dopo l'acquisizione, regolare il contrasto e la finestra sulla risonanza magnetica anatomica a basse ed elevate estremi per rilevare visivamente il rumore durante la scansione che può derivare dalla configurazione dello stimolatore. Continuare questo monitoraggio visivo del rumore contemporaneamente all'acquisizione funzionale dell'immagine.
  3. Avviare l'esperimento sul computer di presentazione, pronto per iniziare con il trigger scanner e avviare lo stimolatore per attendere il grilletto di uscita del computer di presentazione. Lasciare lo stimolatore e collegare durante l'esperimento fMRI per evitare le differenze nel rapporto temporale tra segnale e rumore (tSNR) tra stimolatoreCondizioni di accensione e spegnimento 22 .
  4. Avviare la scansione fMRI ( p.es. , imaging eco-planario a gradiente-eco-ponderato T2 * bidimensionale; TE: 30 ms, TR: 2.000 ms, angolo di avvolgimento 70 °, 33 fettine di spessore 3 mm, nessun divario tra le fette a Una risoluzione in 3D di 3 x 3 mm 2 , 210 volumi per 7 minuti di scansione), che innesca l'inizio dell'esperimento sul computer di presentazione. Monitorare lo schermo del stimolatore per garantire che la corrente venga inviata nei tempi desiderati durante le prove sperimentali.

4. Conclusione di esperimenti

  1. Dopo che l'esperimento è stato eseguito e la scansione è terminata, scollegare la scatola filtro interna dal cavo collegato agli elettrodi di gomma prima di spostare il letto dello scanner, rimuovere l'oggetto dallo scanner e rimuovere gli elettrodi lasciando il soggetto libero a lavare i capelli.
  2. Spegnere lo stimolatore e inserirlo per ricaricare. Pulire gli elettrodi di gomma con acqua per il loro nexT utilizzare.

Representative Results

La Figura 2 e la Figura 3 mostrano immagini rappresentative acquisite per i test di rumore dell'apparecchiatura in un fantasma e in un soggetto umano, rispettivamente. In ogni riga, la Figura 2 e la Figura 3 mostrano fette assiali rappresentative da un volume acquisito o da una mappa calcolata, etichettato di conseguenza sopra la riga. L'immagine più a destra su ogni riga è una rappresentazione sagittale del volume corrispondente o della mappa calcolata, indicando le posizioni assiali delle fette con linee blu. Oltre alla prima fila, che illustra il posizionamento dell'elettrodo in bianco, il volume è sovrapposto ad un'immagine T1-pesata in ogni figura. Si noti che non ci sono distorsioni o scariche di segnale dagli elettrodi nelle immagini pesate con T1. La seconda riga di Figura 2 mostra i dati funzionali rappresentativi MRI acquisiti con l'impostazione tACS in posizione e giratasopra. Nel fantasma della Figura 2 , notare che c'è qualche abbandono del segnale e distorsione dovuta agli elettrodi, tuttavia, la riga 2 della Figura 3 mostra che queste distorsioni non si estendono oltre il cuoio capelluto in un soggetto. Le righe tre e quattro della figura 2 mostrano le misurazioni del rumore nel volume, che vengono acquisite utilizzando gli stessi parametri dei dati fMRI, ma senza un impulso di eccitazione RF. Le immagini mostrano il livello di rumore nella stanza dello scanner e dell'hardware MR durante la scansione. La riga tre è una misurazione del rumore con tACS off, e la riga quattro è quella con tACS acceso. Nella quinta e sesta fila di Figura 2 sono mappe tSNR per funzionalità funzionali con l'impostazione tACS e lo stimolatore spento e acceso, rispettivamente. Le mappe TSNR calcolate in base ai dati acquisite nel soggetto umano appaiono nelle righe tre delle figure 3 , con tACS off e quattro, con tACS on. Avviso non ci è difetto visibileIntensità quando si confrontano le condizioni di stimolazione. Come abbiamo dimostrato in uno studio precedente, l'apparecchiatura tACS produce circa il 5% di caduta di tSNR in immagini rispetto a quelle acquisite senza l'impostazione di tACS, tuttavia il tSNR dovrebbe rimanere stabile attraverso le condizioni di stimolazione in e fuori 22 .

La Figura 4 rappresenta una serie di immagini che dimostrano l'abbandono del segnale che può verificarsi quando vengono utilizzati elettrodi non compatibili con MR. Le fette di un volume fMRI acquisite da un soggetto con elettrodi che possono avere alcune contaminazioni metalliche mostrano l'arresto del segnale sotto l'elettrodo posto approssimativamente sulla corteccia del motore primario, come indicato con cerchi rossi.

La Figura 5 mostra i risultati di un esperimento che prova gli effetti della forza corrente di 16 Hz CZ-Oz tACS sul segnale BOLD in soggetti i cui soli t La domanda è la fissazione incrociata centrale. Durante l'esperimento, periodi di 12 secondi di tACS sono stati intervallati con periodi di non stimolazione che variano da 24 a 32 secondi. In un ordine pseudorandomizzato, tACS è stato applicato con una diversa resistenza di corrente (500 μA, 750 μA, 1.000 μA, 1.500 μA) in ciascuna di quattro corse. La Figura 5A mostra le medie dell'evento del segnale BOLD per i cluster statisticamente significativi, con effetto crescente sul segnale BOLD con maggiore forza di corrente. Inoltre, la Figura 5B illustra le specifiche T-score specifiche della forza corrente che illustrano la specificità regionale degli effetti e aumenta l'effetto spaziale con una maggiore forza corrente. Vale anche la pena notare che l'attività BOLD nelle regioni frontali è stata modificata in modo significativo, mostrando che le modulazioni non sono sempre state direttamente sotto gli elettrodi. Per i dettagli, consultare Cabral-Calderin e colleghi 22 .

E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> La figura 6 mostra i risultati rappresentativi di un esperimento che esamina la dipendenza della frequenza degli effetti tACS durante un compito di percezione visiva: i soggetti riportarono la direzione percepita di una sfera rotante bistabile. La stessa tACS è stata applicata con elettrodi collocati a Cz e Oz in una delle tre frequenze di stimolazione (10 Hz, 60 Hz o 80 Hz) in ciascuna di tre sessioni separate. La figura 6A illustra il tempo di esperimento con la presentazione visiva e i periodi di tACS tra Blocchi di fissazione a croce centrale. Le mappe di interazione tra le condizioni e le frequenze di TACS e le prove post-hoc del cluster mostrano effetti della frequenza specifica nella corteccia parietale, con 10 Hz tACS in diminuzione e 60 Hz di segnale in aumento ( Figura 6B ). Mappe di effetti specifici di tACS di 60 Hz che si estendono al di là della corteccia parietale per includere alcuni occipiTal e frontale. Per i dettagli di esperimento e analisi, fare riferimento a Cabral-Calderin, et al. 22 .

Figura 1
Figura 1: Impostazione TACS nello scanner. ( A ) Impostazione TACS con tutti gli elementi necessari. Lo stimolatore ei cavi sono collegati all'esterno della stanza schermata MR. Sono mostrati anche il tappo EEG, la misura a nastro e il gel conduttivo utilizzato per il posizionamento degli elettrodi. ( B ) Scatola filtro esterno e stimolatore posto fuori dalla stanza dello scanner. Il cavo LAN (non visibile in figura) viene dalla stanza dello scanner attraverso il tubo d'onda RF e si collega alla scatola filtro esterna, con il minor numero di cavi LAN esposti al di fuori della camera dello scanner. Lo stimolatore deve essere collegato alla scatola filtro esterna così come al cavo di uscita del grillaggio del computer di presentazione. ( C )Ambiente dello scanner con impostazione sperimentale. Descrizione della configurazione di tACS, incluso computer di presentazione, computer scanner e output trigger e proiettore. ( D ) Posizionamento del soggetto per l'esperimento. Elementi importanti includono cuscini, posizionamento dei cavi, specchio di visualizzazione e bobina di testa. La scatola del filtro è posta sulla ringhiera dello scanner come esempio di posizionamento all'interno del foro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2: Valutazione della qualità Immagini MR acquisite da un fantasma. Fila 1: Fette assiali di immagine anatomica ad alta risoluzione ad alta risoluzione T1 con le loro posizioni indicate da linee blu su una fetta sagittale a destra (anche in ciascuna fila successiva). Sul piano sagittale sono illustrate le posizioni dell'elettrodo Valutato in bianco. Fila 2: fette di immagine eco-ponderate con T2 *, con frecce magenta che indicano l'abbandono del segnale e la distorsione a causa di elettrodi e / o gel di elettrodi. Sul piano sagittale il posizionamento del volume corrispondente viene mostrato come sovrapposizione (anche in ciascuna riga seguente). Riga 3: Le fasce di immagine di rumore acquisite con parametri sperimentali fMRI e nessun impulso di eccitazione RF mentre l'impostazione tACS è in posizione e accesa, ma non stimolante. Riga 4: immagine No-RF-eccitazione acquisita con setup tACS in posizione e stimolatore e stimolazione a 16 Hz. Riga 5: mappa TSNR calcolata dai dati acquisiti con l'impostazione tACS in posizione e accesa ma non stimolante. Riga 6: mappa TSNR calcolata dai dati acquisiti con l'impostazione tACS sul posto e stimolando a 16 Hz. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Valutazione di qualità Immagini MR acquisite da un soggetto. Fila 1: Fette assiali di immagine anatomica ad alta risoluzione con le loro posizioni indicate da linee blu su una fetta sagittale a destra (come si vede in ogni riga). Le posizioni dell'elettrodo sono illustrate in bianco sulla vista sagittale. Fila 2: fette di immagine eco-ponderate con peso T2 * che non presentano alcuna caduta del segnale dovuta agli elettrodi e / o al gel di elettrodi. Sul piano sagittale il posizionamento del volume corrispondente viene mostrato come sovrapposizione (anche in ciascuna riga seguente). Riga 3: mappa TSNR calcolata da dati acquisiti con l'impostazione tACS in posizione e accesa, ma non stimolante. Riga 4: mappa TSNR calcolata da dati acquisiti con l'impostazione tACS in loco e stimolando a 16 Hz. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.


Figura 4: Rilascio del segnale dovuto ad un elettrodo contaminato. Fette di un volume fMRI acquisito da un soggetto utilizzando un elettrodo contaminato disposto approssimativamente sopra la manopola della corteccia del motore. I cerchi rossi indicano le regioni sotto l'elettrodo con l'arresto del segnale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: Effetto della forza corrente sulla tACS Modulazione del segnale BOLD. ( A ) F-score Maps Mostrando l'effetto principale della forza corrente sull'effetto di tACS da 16 Hz. Un effetto principale significativo della forza corrente in un unico modo rANOVA [all'interno Fattore: la resistenza di corrente (500, 750, 1000, 1500 μA)] è evidente. Le trame mostrano il corso temporale medio del segnale BOLD per i periodi tACS-on per ciascuna forza corrente. Le regioni ombreggiate indicano l'errore standard della media nei soggetti. MedialFG = gyrus frontale mediale, IPS = sulcus intraparietale, IFG = inferior gyrus frontale, PrC = gyrus precentral, L = sinistra, R = destra, * cluster non corretto per più confronti. ( B ) T-score Mappe che mostrano le modifiche di attività BOLD durante tACS 16 Hz per ciascuna resistenza corrente. Nessun effetto significativo è stato trovato con 500 μA tACS. LH = emisfero sinistro; RH = emisfero destro. Questa immagine è stata modificata da Cabral-Calderin et al. 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 6: Effetto del tACS sul segnale BOLD in un'operazione visiva di percezione. ( A ) Rappresentazione schematica dell'esperimento. Lo stimolo visivo e il tACS sono stati applicati in un progetto di blocco, con 30 s blocchi tACS on-off che si verificano durante blocchi di 120 sec di presentazione dello stimolo visivo. Ogni frequenza è stata testata in una sessione diversa. SfM = struttura da movimento. ( B ) Effetto di interazione di condizione e frequenza TACS. Le mappe statistiche F mostrano un significato in rANOVA bidirezionale [all'interno dei fattori: tACS (on, off), frequenza (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] e stime beta per due cluster rappresentativi nel gyrus post-centrale. Le linee continue e gli asterischi contrassegnano differenze significative per i confronti post-hoc per gli effetti di interazione on-off tACS di 10 Hz rispetto a 60 Hz e 10 Hz contro 80 Hz e gli asterischi rossi implicano una differenza significativa per tACS in contro-off test post-hoc. PoC = gyrus postcentrale, IPS = solco intraparietale. ( C ) T-score Mappa di tACS 60 Hz. Differenze significative confrontando tACS 60 Hz contro off. Questa immagine è stata ristampata da Cabral-Calderin et al. 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Qui abbiamo descritto la procedura per la configurazione e l'esecuzione dell'esperimento tACS-fMRI simultaneo utilizzando un sistema tACS compatibile con MR. Alcuni passaggi in questa procedura richiedono un'attenzione particolare, in particolare per quanto riguarda l'impostazione del soggetto. Lo stimolatore e la configurazione compatibili con MR utilizzati in questo esperimento hanno un'impedenza minima di circa 12 kΩ con i cavi, le scatole filtranti e gli elettrodi, e il produttore raccomanda l'impedenza minima di 20 kΩ con elettrodi collegati al soggetto; Questo requisito dipende dal prodotto e dal produttore dello stimolatore. Quando si applicano gli elettrodi al soggetto, se l'impedenza è troppo alta, è possibile adottare alcuni passi per ridurre questo valore a parte la pressione degli elettrodi. Ad esempio, potrebbe essere più semplice coprire le posizioni contrassegnate e pulite sul cuoio capelluto con gel di elettrodi, compresi i capelli, prima di premere l'elettrodo sul cuoio capelluto. Ciò garantirà la diffusione corrente attraverso il materiale non conduttivo; però,Fate attenzione a limitare la copertura del gel dell'elettrodo a circa la stessa area di superficie degli elettrodi per far spendere la corrente alla regione desiderata di stimolazione. Prestare particolare attenzione a questo se gli elettrodi sono vicini, perché la corrente di scorrimento tra gli elettrodi può verificarsi attraverso un contatto con gel in eccesso di elettrodi. Se l'elettrodo si trova sul retro della testa dove l'oggetto sarà posizionato direttamente su di esso, si deve prestare particolare attenzione a posizionare cuscini dietro la testa in modo tale che il soggetto non diventi scomodo mentre l'esperimento continua; Questo disagio non può essere un problema inizialmente per il soggetto, tuttavia l'esperienza mostra che il dolore nasce e aumenta nel tempo. Inoltre, come per tutti gli esperimenti fMRI, il movimento soggetto presenta conflitti problematici, quindi è importante che il soggetto sia comodo con tutti i cavi e gli elettrodi in atto.

L'aspetto più importante dell'installazione da prendere in considerazione è il rumore potenzialmente introdotto inAll'ambiente MR che può indurre artefatti e distorsioni di immagine. Prima dell'esperimento, è prudente provare gli artefatti di immagine con l'intero setup di tACS in atto. Può essere utilizzato un normale fantasma sferico, che assicura gli elettrodi con gel di elettrodo. È importante fornire un certo modo per la corrente di passare tra gli elettrodi, che può essere realizzato applicando una generosa quantità di gel di elettrodi in un percorso da un elettrodo all'altro. Esegui l'intero esperimento, come previsto per il soggetto, comprese le variazioni dei parametri, quali frequenza e corrente. Durante la sessione di scansione, la regolazione del contrasto e della finestra a estremi nel visualizzatore di immagini sul computer di controllo dello scanner MR consente una più facile rilevazione visiva del rumore. Quando si monitorizza visivamente il rumore prima e durante l'esperimento, si possono verificare rumori come esempi di picchi nell'immagine ad alta intensità, modelli in cui il segnale non deve essere misurato o intensità variabile nel tempo. Acquisire i dati fMRI con l'excitatio RFN impulso disattivato fornisce informazioni sul rumore dell'ambiente di scansione durante la scansione senza acquisire il segnale di immagine effettivo (vedere la figura 2 ). Questo test di rumore può essere eseguito in ogni sessione di scansione. Se ci sono variazioni nel rumore, verificare che tutti i cavi siano intatti e ben collegati allo stimolatore, agli elettrodi e alle scatole filtranti. Nessun cavo dovrebbe essere posto in loop. Rumori o distorsioni possono derivare da cavi rotti, elettrodi con contaminanti metallici nella gomma (nonostante siano stati venduti come MR compatibili) e connessioni difettose, tra le altre possibilità. Lo stimolatore è azionato dalla batteria per ridurre al minimo il rumore elettrico durante l'installazione; Assicurarsi che sia completamente carica prima di ogni esperimento e che rimanga acceso e collegato durante l'esperimento. TSNR nelle immagini funzionali diminuirà del 5% con lo stimolatore collegato, tuttavia i valori devono essere stabili nelle condizioni di stimolazione 22 . Test di stimolazione elettrica transcranica simultanea-fMRI oI cadaveri hanno dimostrato che non esistono artefatti associati alla stimolazione alternata di corrente, un vantaggio rispetto alla stimolazione della corrente continua 30 . Teoricamente, questa mancanza di artefatti può essere spiegata con una corrente netta di zero al momento dell'acquisizione dell'immagine 30 . Tuttavia, per alcuni degli esperimenti condotti nel nostro laboratorio, il tempo di acquisizione o TR non è un multiplo della frequenza di stimolazione. Dopo aver condotto le prove di rumore citate in questo protocollo e esaminando le immagini per gli artefatti, che non sono stati visibili, abbiamo concluso che qualsiasi differenza di corrente netta da zero è piccola e troppo trascurabile per indurre gli artefatti.

Un altro punto critico per gli esperimenti di successo è che il computer di presentazione riceve l'output trigger dello scanner e che lo stimolatore riceve il trigger dal computer di presentazione. Prima dell'esperimento, programmare il disegno e il timing dello stimolo visivo usando thE il software desiderato. Questo programma deve utilizzare i trigger per sincronizzare la presentazione dello stimolo visivo con lo scanner MR e lo stimolatore; Inizia con un trigger che viene emesso dallo scanner MR e invia anche gli trigger di output allo stimolatore a tempi di stimolazione desiderati. Un modo semplice per controllare la comunicazione trigger durante l'installazione è quello di utilizzare un oscilloscopio collegato con un cavo BNC all'uscita del trigger scanner così come l'uscita del computer di presentazione. Nella nostra configurazione, lo scanner MR emette un trigger (toggle) per ogni volume funzionale acquisito e il computer di presentazione emette un segnale come programmato tramite il software di presentazione. L'analisi di un esperimento ben progettato poggia criticamente sulla stimolazione correttamente temporizzata.

Alcune fasi di questo esperimento possono essere adattate come necessario per i requisiti di impostazione del laboratorio. Ad esempio, questa configurazione descrive l'utilizzo di un proiettore e degli specchi per la presentazione dello stimolo visivo, ma lo stimolo visivo ouIl dispositivo tput può essere occhiali a cristalli liquidi a cristalli liquidi o un monitor MR-safe, scelto in base alle esperienze e alle preferenze o limitazioni del laboratorio. Inoltre, i parametri di scansione MRI devono essere adattati all'esperimento. Vale la pena notare che occorre prestare attenzione alla scelta appropriata del controllo sperimentale per il tACS, anche se non esiste una risposta diretta. Una breve stimolazione di sham di 30 secondi può simulare la somatosensazione indotta da tACS che diminuisce eventualmente con stimolazione prolungata; Tuttavia, alcuni studi dimostrano che anche brevi periodi di stimolazione possono indurre l'entrata in oscillazione 12 . Un altro possibile controllo che può essere utilizzato per tACS è quello di stimolare l'utilizzo di una frequenza non efficace o, in altre parole, una frequenza diversa da quella di interesse. L'eccezione qui sarebbe che la somatosensazione e la percezione del fosfene variano secondo la frequenza di stimolazione 31 . Infine, per quanto riguarda le esperienze soggettive di stimL'alcolizzazione, i fosfeni indotti da tACS variano da individui, quindi, per catturare meglio la variabilità del soggetto, si consiglia di utilizzare un sistema di classificazione dettagliato per la percezione del fosfene e trascorrere del tempo con il soggetto che descrive le varie caratteristiche dei fosfeni ( ad esempio , posizione, intensità) Può sorgere in modo che il soggetto possa valutare attentamente la propria esperienza durante la stimolazione 32 , 33 .

I risultati rappresentativi mostrati qui suggeriscono che gli effetti tACS sono dipendenti dalla corrente, dipendenti dalla frequenza e che la modulazione non è limitata alle regioni sotto gli elettrodi, ma si estende a regioni distanti, probabilmente collegate funzionalmente. Una limitazione di questa tecnica è la risoluzione temporale di fMRI e della risposta BOLD. L'acquisizione di dati e la risposta emodinamica non sono più rapidi quanto la frequenza di stimolazione o l'attività elettrica del cervello, quindi interazioni dirette con frequenza- gli effetti specifici del tACS non possono essere misurati. Tuttavia, dato che la maggior parte della letteratura scientifica degli effetti di tACS è di studi comportamentali e che il tACS ovviamente colpisce un complesso e complesso sistema neurale, è chiaro che gli esperimenti tACS-fMRI simultanei hanno molto da offrire per informarci sugli effetti tACS in il cervello. EEG e MEG offrono informazioni sul livello delle risoluzioni temporali che corrispondono a quelle dell'attività neurale. Tuttavia, EEG e MEG soffrono di una risoluzione spaziale e di limitazioni della profondità corticali o di tecniche di ricostruzione sorgente intensivamente computazionali. La frequenza di stimolazione e gli artefatti armonici che sovrascrivono i segnali del cervello di interesse registrati alle stesse frequenze complicano ulteriormente le analisi EEG e MEG. Soluzioni innovative sono state applicate per affrontare alcune di queste sfide. Helfrich et al. Impiegò una nuova tecnica per rimuovere l'artefatto da tACS da dati EEG usando una sottrattatura del modello di artefatti e l'analisi del componente principale 15 34 . Con l'obiettivo di applicare la tACS nella ricerca per una migliore comprensione della funzione cerebrale normale e anomala e eventualmente clinicamente per la diagnostica o le terapie, il tACS dovrebbe essere combinato separatamente con EEG, MEG e fMRI per creare complementariamente le migliori pratiche per specifici effetti desiderati che possono essere personalizzati Specificamente per gli individui. Quando tali pratiche sono state stabilite, possono essere effettuate indagini efficaci per comprendere meglio la funzione delle oscillazioni neurali ( ad esempio , definire chiaramente i ruoli funzionali e le relazioni di diverse bande di frequenza) e la loro modulazione con tACS (Ad es., Se il meccanismo avviene attraverso il trascinamento o i cambiamenti di plastica 35 ).

Considerando le direzioni future, l'impostazione descritta qui è adattata per gli esperimenti di fMRI che studiano la percezione o la cognizione, come lo studio di struttura-da-movimento qui descritto e altri hanno dimostrato. Cabral-Calderin e colleghi hanno mostrato che l'attivazione nelle regioni della corteccia occipitale dipende dalla frequenza di attività e tACS in un video-guardando contro l'esperimento di toccatura delle dita 22 . In uno studio fMRI simultaneo dello stato di riposo di tACS, Cabral-Calderin e colleghi hanno mostrato effetti a frequenza dipendenti del tACS sulla connettività funzionale intrinseca e sulle reti statali di riposo 23 . Vosskuhl et al . Combinato tACS e fMRI per mostrare BOLD diminuire durante un compito di vigilanza visiva alla singola stimolazione di frequenza alfa 24 . Alekseichuk e colleghi hanno mostrato che immediata conseguenze di 10 Hz tACS modulare il segnale BOLD durante una percezione visiva di anelli e cunei a scacchi, indicando una modifica del metabolismo neurale di un compito di percezione passiva 36 . Questi studi fissano la fase per studi simultanei di tACS-fMRI per sondare meccanismi funzionali a molti livelli, dal metabolismo alla cognizione. In una fase così precoce dell'utilizzo di tACS per la ricerca traslazionale, è molto potenziale per esperimenti tACS-fMRI simultanei per aggiungere alla comprensione della tecnica di stimolazione e del contributo delle oscillazioni alle funzioni cognitive.

Disclosures

Gli autori non hanno niente da rivelare.

Acknowledgments

Ringraziamo Ilona Pfahlert e Britta Perl per assistenza tecnica durante esperimenti di imaging funzionale e Severin Heumüller per un ottimo supporto informatico. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Herman e Lilly Schilling e dal Centro per la Microscopia Nanoscale e la Fisiologia Molecolare del Cervello (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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