Transkranielle Gleichstromstimulation und Simultan Functional Magnetic Resonance Imaging
Summary
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Gehirnstimulation Technik. Es hat sich erfolgreich in der Grundlagenforschung und klinischen Einrichtungen verwendet worden, um die Hirnfunktion beim Menschen zu modulieren. Dieser Artikel beschreibt die Umsetzung der tDCS und gleichzeitige funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), um die neuronalen Grundlagen der tDCS-Effekte zu untersuchen.
Abstract
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Gehirnstimulation Technik, die schwache elektrische Ströme auf der Kopfhaut verabreicht, um die kortikale Erregbarkeit zu manipulieren und damit das Verhalten und Gehirn-Funktion verwendet. In den letzten zehn Jahren haben zahlreiche Studien kurz-und langfristigen Auswirkungen der tDCS auf verschiedenen Maßnahmen der Verhaltensleistung während motorischen und kognitiven Aufgaben sowohl bei gesunden Personen und in einer Reihe von verschiedenen Patientengruppen angesprochen. Bisher ist jedoch wenig über die neuronalen Grundlagen der tDCS Wirkung beim Menschen hinsichtlich Großhirn Netzwerke bekannt. Dieses Problem kann durch die Kombination von tDCS mit funktionellen bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) oder die Elektroenzephalographie (EEG) angesprochen werden.
Insbesondere ist fMRI die am weitesten verbreitete bildgebendes Verfahren, die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik zu untersuchen. Applicatiauf der tDCS während fMRT ermöglicht die Analyse der neuronalen Mechanismen, die Verhaltens tDCS-Effekte mit hoher räumlicher Auflösung über das gesamte Gehirn. Aktuelle Studien mit dieser Technik identifiziert Stimulation induzierten Veränderungen in aufgabenbezogene funktionelle Hirnaktivität an der Stimulationsstelle und auch in weiter entfernten Hirnregionen, die mit Verhaltens Verbesserung verbunden wurden. Außerdem tDCS während Ruhezustand fMRI verabreicht erlaubte die Identifizierung der weit verbreiteten Veränderungen in ganze Gehirn funktionelle Konnektivität.
Zukünftige Studien mit dieser Kombination Protokoll sollte neue Einblicke in die Mechanismen der tDCS Aktion in Gesundheit und Krankheit und neue Optionen für gezieltere Anwendung der tDCS in der Forschung und klinischen Einrichtungen ergeben. Die vorliegende Manuskript beschreibt diese neue Technik in einer Schritt-für-Schritt-Mode, mit dem Fokus auf technische Aspekte der tDCS während fMRI verabreicht.
Introduction
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Methode der Hirnstimulation, in der kortikalen Funktion wird durch einen schwachen elektrischen Strom (in der Regel 1-2 mA) zwischen zwei Kopfhaut-Elektroden angebracht projiziert moduliert. Physiologisch induziert tDCS eine polaritätsabhängige Verschiebung in neuronalen Ruhemembranpotential (RMP) innerhalb des Ziel kortikalen Bereich durch die Manipulation von Natrium-und Calciumkanäle, wodurch Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit 1 fördern. Insbesondere anodische Stimulation (atDCS) wurde gezeigt, dass kortikale Aktivität zu erhöhen über Depolarisation der neuronalen RMP, während die kathodische Stimulation (ctDCS) reduziert kortikalen Erregbarkeit 2. Im Vergleich zu anderen Arten von Gehirn-Stimulation (zB transkranielle Magnetstimulation) Sicherheit hat sich gut etabliert und bisher keine schwerwiegenden Nebenwirkungen wurden auch in gefährdeten Bevölkerungsgruppen 3, 4 berichtet. Auch, zumindest für lower Stimulationsintensität (bis zu 1 mA), ein wirksames Placebo ("Schein") Stimulation Bedingung vorhanden 5, die eine effektive Verblindung der Teilnehmer und die Ermittler zu den Stimulationsbedingungen, Rendering tDCS ein attraktives Werkzeug in der experimentellen und klinischen Forschung-Einstellungen.
Zahlreiche Studien haben bisher gezeigt, dass diese Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit in Verhaltensmodulationen führen. In der Motor-System, haben einheitliche Polarität abhängige Effekte wurde berichtet, 1, 6 für beide atDCS und ctDCS. In der kognitiven Studien, die Mehrzahl der Studien, die atDCS eingesetzt, um kognitive Funktionen verbessern berichtet positive Auswirkungen auf die Performance 7, während ctDCS häufig nicht zu einer Beeinträchtigung der kognitiven Verarbeitung führen. Letztere können durch die größere Redundanz der neuronalen Verarbeitungsressourcen Erkenntnis zugrunde liegenden 6 erklärt werden. Die Mehrheit der tDCS Studien haben Cross-over-Designs verwendet werden, um zu studierendie unmittelbaren Auswirkungen der Stimulation, die die Beendigung der Strom nur für kurze Zeit ein überdauern. Es wurde jedoch vorgeschlagen, dass Auswirkungen auf die Stimulation der Proteinsynthese, das heißt die neuronalen Mechanismus zugrunde liegende Mann Nahme 8 wiederholt. Tatsächlich kann motorische oder kognitive Trainingserfolg verbessert, wenn bei wiederholter tDCS Sitzungen und Langzeitstabilität dieser Verbesserungen berichtet worden, um eine bis zu mehrere Monate bei gesunden Erwachsenen 8-10 kombiniert werden. Solche Erkenntnisse haben auch löste ein Interesse an der Nutzung der tDCS in klinischen Kontexten und vorläufigen Daten deuten darauf hin, dass es auch nützlich, als Haupt-oder Zusatzbehandlung Ansatz in verschiedenen klinischen Populationen 3 sein. Doch während eine relativ große Anzahl von Studien behandelt neurophysiologischen Auswirkungen der tDCS im motorischen System, ist wenig über die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen der tDCS Auswirkungen auf kognitive Funktionen des Gehirns in Gesundheit und Krankheit bekannt.Ein besseres Verständnis der Wirkungsweise von tDCS ist eine notwendige Voraussetzung für eine zielgerichtete Anwendungen TDCs in Forschungs-und klinischen Umgebungen.
Dieses Problem kann durch die Kombination von tDCS mit funktionellen bildgebenden Verfahren wie die Elektroenzephalographie (EEG) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) angesprochen werden. Die Mehrzahl der Studien, die die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik haben sich entschieden, fMRI 11 beschäftigen. Insbesondere ist fMRI die am weitesten verbreitete bildgebendes Verfahren, die neuronalen Mechanismen, die Wahrnehmung und Motorik 11 zu untersuchen. Außerdem, wenn bei gleichzeitiger Anwendung der tDCS kombiniert, ermöglicht fMRI-Untersuchung der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen Verhaltens tDCS-Effekte mit höherer räumlicher Auflösung über das gesamte Gehirn im Vergleich zum EEG (für die jüngsten Beschreibungen kombiniert tDCS-EEG sehen Schestatsky et al. 12). Die vorliegende Manuskript beschreibt thE kombinierten Einsatz von tDCS bei gleichzeitiger fMRT. Diese neue Technik wurde erfolgreich verwendet, um die neuralen Mechanismen, die tDCS-induzierte Modulation von motorischen und kognitiven Funktionen 13-19 studieren. In der Zukunft wird diese kombiniert Protokoll neue Einblicke in die Mechanismen der tDCS Aktion in Gesundheit und Krankheit ergeben. Das Verständnis der Auswirkungen der tDCS auf große neuronale Netzwerke, wie mit dieser Technik kann beurteilt die Grundlage für gezieltere Anwendung der tDCS in der Forschung und klinischen Einstellungen legen.
Die Handschrift wird auf die Unterschiede zwischen Verhaltens tDCS Experimente und den kombinierten Einsatz von tDCS bei gleichzeitiger fMRT zu konzentrieren, mit besonderem Akzent auf die Hardware-Anforderungen, die Anwendung der Technik und Sicherheitsaspekte. Als Beispiel, eine einzige Sitzung der tDCS auf der linken inferioren frontalen Gyrus (IFG) während aufgaben abwesend Ruhezustand (RS) fMRI und während einer Sprachaufgabe 14, 15 w verabreichtschlecht beschrieben, obwohl viele andere Anwendungen möglich 16, 19 sind. Einzelheiten der Versuchsplanung, Teilnehmer Eigenschaften und fMRI Verfahren der Datenanalyse sind im Detail in den Originalpublikationen 14,15 beschrieben und gehen über den Rahmen der vorliegenden Manuskripts. Darüber hinaus wird in diesen Studien eine zusätzliche funktionelle Magnetresonanztomographie, die beteiligt Schein-tDCS erworben wurde und im Vergleich zu den Ergebnissen der Sitzung atDCS (siehe "repräsentativen Ergebnisse" für Details). Diese Sitzung war identisch mit dem in der vorliegenden Handschrift, mit der Ausnahme, dass die Stimulation wurde vor Beginn der Scan-Sitzung (siehe Abbildung 1 für Details) eingestellt. Das vorliegende Verfahren wurde erfolgreich in einem 3-Tesla-MRT-Scanner Siemens Trio an der Berliner Centre for Advanced Imaging (Charité Universitätsmedizin, Berlin, Deutschland) durchgeführt und sollte im Prinzip auf andere Scanner sowie 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die kombinierte Anwendung der tDCS mit gleichzeitiger fMRT hat für die Aufklärung der neuronalen Grundlagen von den unmittelbaren Auswirkungen der Stimulation über das gesamte Gehirn mit hoher räumlicher Auflösung 13-19 Potenzial gezeigt. In Zukunft können solche Studien durch kombinierte EEG-tDCS Studien ergänzt werden, um die überlegene zeitliche Auflösung der letzteren Technik zu nutzen. Darüber hinaus ermöglicht intrascanner Stimulation Überprüfung der korrekten Positionierung der Elektroden …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 und von der DFG-EXC-257, UL: 423/1-1), Für das Bundesministerium Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A und 01GY1144, AF und MM: 01EO0801), der Deutsche Akademische Austauschdienst (AF: DAAD-54391829), Go8 Australien – Deutschland Joint Research Cooperation Scheme (DC: 2011001430), der Else-Kröner Fresenius-Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) und dem Australian Research Council (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Wir danken Kate Fliegel für die redaktionelle Unterstützung.
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).
