عبر الجمجمة المباشر تحفيز الحالي في وقت واحد وأسلوب التصوير بالرنين المغناطيسي
Summary
عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هي تقنية تحفيز المخ موسع. وقد تم استخدامه بنجاح في مجال البحوث الأساسية والسريرية لتعديل الإعدادات وظائف المخ لدى البشر. توضح هذه المقالة تطبيق tDCS ومتزامنة وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي)، للتحقيق أساس العصبية للآثار tDCS.
Abstract
عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هو موسع الدماغ تقنية التحفيز التي تستخدم تيارات كهربائية ضعيفة تدار على فروة الرأس لمعالجة استثارة القشرية، وبالتالي السلوك وظيفة الدماغ. في العقد الماضي، وقد تناولت العديد من الدراسات الآثار قصيرة الأجل وطويلة الأجل لtDCS على تدابير مختلفة من الأداء السلوكي خلال المهام الحركية والمعرفية، سواء في الأفراد الأصحاء، وفي عدد من مجموعات سكانية مختلفة المريض. حتى الآن، ومع ذلك، لا يعرف الكثير عن الأسس العصبية للtDCS للعمل في البشر فيما يتعلق شبكات الدماغ على نطاق واسع. ويمكن معالجة هذه المسألة من خلال الجمع بين tDCS مع تقنيات تصوير الدماغ الوظيفية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) أو في المخ (EEG).
على وجه الخصوص، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو الأكثر استخداما على نطاق واسع تقنية تصوير الدماغ للتحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف. تطبيق وعلى tDCS من خلال الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح تحليل الآليات العصبية الكامنة tDCS الآثار السلوكية لقرار مكانية عالية في جميع أنحاء الدماغ بأكمله. حددت الدراسات التي أجريت مؤخرا باستخدام هذه التقنية التحفيز التغيرات التي يسببها في نشاط الدماغ الوظيفية ذات الصلة مهمة في موقع التحفيز، وكذلك في مناطق الدماغ أكثر بعدا، والتي ارتبطت مع التحسن السلوكي. بالإضافة إلى ذلك، تدار tDCS خلال يستريح الرنين المغناطيسي الوظيفي للدولة يسمح تحديد التغييرات على نطاق واسع في الدماغ كله اتصال وظيفية.
ينبغي أن الدراسات المستقبلية باستخدام هذا البروتوكول مجتمعة تسفر عن رؤى جديدة في آليات العمل tDCS في الصحة والمرض وخيارات جديدة لتطبيق أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية. يصف المخطوطة موجودة هذه التقنية الرواية بطريقة خطوة بخطوة، مع التركيز على الجوانب الفنية من خلال tDCS تدار الرنين المغناطيسي الوظيفي.
Introduction
عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هو أسلوب موسع لتحفيز المخ التي يتم فيها التضمين سير القشرية عن طريق تيار كهربائي ضعيف (عادة 1-2 مللي أمبير) المتوقعة بين قطبين-الملصقة فروة الرأس. من الناحية الفسيولوجية، tDCS يؤدي الى التحول تعتمد على قطبية في الخلايا العصبية المحتملة غشاء يستريح (RMP) داخل المنطقة القشرية المستهدفة من خلال التلاعب في قنوات الصوديوم والكالسيوم، وبالتالي تشجيع التغييرات في استثارة القشرية 1. على وجه التحديد، وقد تبين مصعدي التحفيز (atDCS) لزيادة النشاط القشرية عبر الاستقطاب من الخلايا العصبية في حين أن الشرطة العسكرية الملكية التحفيز المهبطي (ctDCS) يقلل من استثارة القشرية 2. مقارنة مع أنواع أخرى من التحفيز في الدماغ وقد تم راسخة (مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة) سلامة وحتى الآن لم يتم الإبلاغ عن أي آثار جانبية خطيرة حتى في الفئات الضعيفة من السكان 3، 4. أيضا، على الأقل بالنسبة الصغرىشدة التحفيز ور (إلى 1 مللي أمبير)، وهي فعالة وهمي ("صورية") حالة التحفيز موجود 5، مما يسمح للتعمية فعالة من المشاركين والمحققين للشروط التحفيز، مما يجعل tDCS أداة جذابة في إعدادات البحوث التجريبية والسريرية.
وقد أظهرت العديد من الدراسات حتى الآن أن هذه التغييرات في استثارة القشرية قد يؤدي إلى التحويرات السلوكية. في نظام المحرك، تم الإبلاغ عن الآثار قطبية تعتمد متسقة 1، 6 لكلا atDCS وctDCS. في الدراسات المعرفية، وذكرت أن غالبية الدراسات التي استخدمت atDCS لتعزيز الوظائف المعرفية آثار مفيدة على الأداء 7، في حين لم ctDCS في كثير من الأحيان لا يؤدي إلى معالجة ضعف الادراك. هذا الأخير يمكن تفسيره من خلال التكرار أكبر من الموارد المعالجة العصبية الكامنة وراء الإدراك 6. غالبية الدراسات قد استخدمت تصاميم tDCS عبر أكثر من دراسةالآثار المباشرة للتحفيز، والتي تدوم إنهاء الحالي إلا لفترات قصيرة من الوقت 1. ومع ذلك، فقد اقترح أن تتكرر آثار التحفيز على تخليق البروتين، أي العصبية آلية اكتساب المهارات الأساسية 8. في الواقع، يمكن تعزيز الحركية أو نجاح التدريب المعرفي عند دمجها مع دورات tDCS المتكررة وتم الإبلاغ عن الاستقرار على المدى الطويل من هذه التحسينات إلى آخر تصل إلى عدة أشهر في البالغين الأصحاء 8-10. وأثارت هذه النتائج أيضا مصلحة في استخدام tDCS في سياقات السريرية والبيانات الأولية تشير إلى أنه قد يكون من المفيد أيضا اتباع نهج المعالجة الأولية أو مساعد في مختلف السكان السريرية 3. ومع ذلك، في حين تناولت عددا كبيرا نسبيا من الدراسات الآثار العصبية من tDCS في الجهاز الحركي، لا يعرف إلا القليل عن الآليات العصبية الأساسية من آثار tDCS على وظائف المخ المعرفية في الصحة والمرض.فهم أفضل لطريقة عمل tDCS هو شرط مسبق ضروري لتطبيقات أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية.
ويمكن معالجة هذه المسألة من خلال الجمع بين tDCS مع تقنيات تصوير الدماغ وظيفية مثل المخ (EEG) أو وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). لقد اختار غالبية الدراسات التحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف الرنين المغناطيسي الوظيفي لتوظيف 11. على وجه الخصوص، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو الأكثر استخداما على نطاق واسع تقنية تصوير الدماغ للتحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف 11. علاوة على ذلك، عندما يقترن التطبيق المتزامن لtDCS، الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح فحص الآليات العصبية الكامنة tDCS الآثار السلوكية لقرار المكاني العالي في جميع أنحاء الدماغ بأكمله مقارنة مع EEG (لأوصاف الأخيرة من الجمع بين tDCS-EEG نرى Schestatsky وآخرون 12). يصف المخطوطة الحالية الاستخدام البريد مجتمعة في وقت واحد من خلال tDCS الرنين المغناطيسي الوظيفي. وقد تم بنجاح استخدام هذه التقنية لدراسة الرواية الآليات العصبية الكامنة التي يسببها tDCS-التحويرات من الحركية والمعرفية وظائف 13-19. في المستقبل، وهذا البروتوكول مجتمعة تسفر عن رؤى جديدة في آليات العمل tDCS في الصحة والمرض. فهم تأثير tDCS على الشبكات العصبية على نطاق واسع وفقا لتقييم مع هذه التقنية قد وضع الأساس لتطبيق أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية.
وستركز المخطوطة على الاختلافات بين tDCS التجارب السلوكية والاستخدام المشترك للtDCS خلال وقت واحد الرنين المغناطيسي الوظيفي، مع التركيز بشكل خاص على متطلبات الأجهزة، وتنفيذ هذه التقنية، واعتبارات السلامة. كمثال، جلسة واحدة من tDCS تدار على اليسار التلفيف الجبهي السفلي (IFG) خلال المهام غائبة يستريح للدولة (RS) والرنين المغناطيسي الوظيفي خلال مهمة اللغة 14، 15 ثسوء وصفها، على الرغم من العديد من التطبيقات الأخرى الممكنة 16، 19. وقد وصفت تفاصيل التصميم التجريبي، وخصائص المشاركين وإجراءات تحليل البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي بالتفصيل في المنشورات الأصلية و14،15 هي خارج نطاق المخطوطة الحالية. علاوة على ذلك، في هذه الدراسات، والرنين المغناطيسي الوظيفي إضافية مسح أن تشارك صورية tDCS تم الحصول عليها ومقارنة مع نتائج الدورة atDCS (انظر "نتائج الممثل" لمزيد من التفاصيل). كان هذه الدورة مماثلة لتلك المذكورة في المخطوط الحاضر، إلا أن التحفيز أوقف قبل بدء الدورة المسح الضوئي (انظر الشكل 1 لمزيد من التفاصيل). تم تنفيذ الإجراء الحالي بنجاح في الماسح الضوئي 3 تيسلا سيمنز الثلاثي التصوير بالرنين المغناطيسي في مركز برلين للتصوير المتقدم (جامعة شاريتيه الطب، برلين، ألمانيا)، وينبغي من حيث المبدأ أن تنطبق على الماسحات الضوئية الأخرى كذلك 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أظهرت تطبيق مجتمعة في وقت واحد مع tDCS الرنين المغناطيسي الوظيفي المحتملة لتوضيح الأسس العصبية من الآثار المباشرة لتحفيز الدماغ عبر كامل لقرار مكانية عالية 13-19. في المستقبل، ويمكن استكمال هذه الدراسات مجتمعة دراسات EEG-tDCS، لاستغلال قرار الصدغي العلوي من الأس?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من المنح المقدمة من جمعية الألمانية للبحوث (AF: 379-8/1؛ 379-10/1، 379-11/1 وDFG-EXC-257، UL: 423/1-1)، والفراء Bundesministerium Bildung اوند Forschung (AF: FKZ0315673A و01GY1144؛ AF وMM: 01EO0801)، وخدمة التبادل الأكاديمي الألمانية (AF: DAAD-54391829)، Go8 استراليا – المانيا مخطط التعاون المشترك البحوث (DC: 2011001430)، وآخر كرونة-فريزينيوس ستيفتونغ (AF: 2009-141؛ RL: 2011-119) ومجلس البحوث الأسترالي (DC: ARC FT100100976؛ MM: ARC FT120100608). نشكر كيت Riggall للمساعدة التحرير.
Materials
| DC-Stimulator Plus | NeuroConn, Illmenau, Germany | 21 | |
| Hardware extension DC-Stimulator MR (2 MRI compatible rubber electrodes, electrode and box cable and inner filter box; outer filter box and stimulator cable) | NeuroConn, Illmenau, Germany | ||
| 2 sponge pads for rubber electrodes (7×5 and 10×10 ccm) | NeuroConn, Illmenau, Germany | ||
| Rubber head band | |||
| NaCL solution | |||
| Measurement tape | To determine electrode position using the EEG 10-20 system | ||
| Pen | Used during electrode positioning |
References
- Stagg, C. J., Nitsche, M. A. Physiological basis of transcranial direct current stimulation. Neuroscientist. 17, 37-53 (2011).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57, 1899-1901 (2001).
- Flöel, A. tDCS-enhanced motor and cognitive function in neurological diseases. NeuroImage. 85, 934-947 (2014).
- Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int. J. Neuropsychopharmacol. 14, 1133-1145 (2011).
- Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): a tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clin. Neurophysiol. 117, 845-850 (2006).
- Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Exp. Brain Res. 216, 1-10 (2012).
- Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clin. EEG Neurosci. 43, 192-199 (2012).
- Reis, J., et al. Noninvasive cortical stimulation enhances motor skill acquisition over multiple days through an effect on consolidation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 1590-1595 (2009).
- Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation over multiple days improves learning and maintenance of a novel vocabulary. Cortex. 50, 137-147 (2014).
- Cohen Kadosh, R., Soskic, S., Iuculano, T., Kanai, R., Walsh, V. Modulating neuronal activity produces specific and long-lasting changes in numerical competence. Curr. Biol. 20, 2016-2020 (2010).
- Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J. Rehabil. Res. Dev. 47, (2010).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (10), (2013).
- Zheng, X., Alsop, D. C., Schlaug, G. Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on human regional cerebral blood flow. NeuroImage. 58, 26-33 (2011).
- Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Flöel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J. Neurosci. 33, 12470-12478 (2013).
- Meinzer, M., et al. Electrical brain stimulation improves cognitive performance by modulating functional connectivity and task-specific activation. J. Neurosci. 32, 1859-1866 (2012).
- Lindenberg, R., Nachtigall, L., Meinzer, M., Sieg, M. M., Floel, A. Differential effects of dual and unihemispheric motor cortex stimulation in older adults. J. Neurosci. 33, 9176-9183 (2013).
- Holland, R., et al. Speech facilitation by left inferior frontal cortex stimulation. Curr. Biol. 21, 1403-1407 (2011).
- Antal, A., Polania, R., Schmidt-Samoa, C., Dechent, P., Paulus, W. Transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex during fMRI. NeuroImage. 55, 590-596 (2011).
- Stagg, C. J., et al. Widespread modulation of cerebral perfusion induced during and after transcranial direct current stimulation applied to the left dorsolateral prefrontal cortex. J. Neurosci. 33, 11425-11431 (2013).
- Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J. Vis. Exp. (77), (2013).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), (2011).
- Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Functional neuroimaging and transcranial electrical stimulation. Clin. EEG Neurosci. 43, 200-208 (2012).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front. Hum. Neurosci. 7, (2013).
- Antal, A., et al. Direct current stimulation over MT+/V5 modulates motion aftereffect in humans. Neuroreport. 15, 2491-2494 (2004).
- Meinzer, M., et al. Impact of changed positive and negative task-related brain activity on word-retrieval in aging. Neurobiol. Aging. 33, 656-669 (2012).
- Meinzer, M., et al. Neural signatures of semantic and phonemic fluency in young and old adults. J. Cogn. Neurosci. 21, 2007-2018 (2009).
- Meinzer, M., et al. Same modulation but different starting points: performance modulates age differences in inferior frontal cortex activity during word-retrieval. PloS One. 7, (2012).
- Crosson, B., Garcia, A., McGregor, K., Wierenga, C. E., Meinzer, M., Koffler, S., Morgan, J., Baron, I. S., Greiffenstein, M. F. . Neuropsychology Science and Practice. , 149-188 (2013).
- Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. NeuroImage. , (2012).
- Antal, A., Terney, D., Poreisz, C., Paulus, W. Towards unravelling task-related modulations of neuroplastic changes induced in the human motor cortex. Eur. J. Neurosci. 26, 2687-2691 (2007).
- Floel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42, 2065-2067 (2011).
- Baker, J. M., Rorden, C., Fridriksson, J. Using transcranial direct-current stimulation to treat stroke patients with aphasia. Stroke. 41, 1229-1236 (2010).
