Transcranica diretta stimolazione corrente e simultanea Magnetic Resonance Imaging funzionale
Summary
Transcranica stimolazione in corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva. E 'stato utilizzato con successo nella ricerca di base e impostazioni cliniche di modulare la funzione del cervello nell'uomo. Questo articolo descrive l'implementazione di tDCS e simultanea risonanza magnetica funzionale (fMRI), per indagare le basi neurali degli effetti tDCS.
Abstract
Transcranica stimolazione in corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che utilizza deboli correnti elettriche somministrate al cuoio capelluto per manipolare eccitabilità corticale e, di conseguenza, il comportamento e la funzione del cervello. Nell'ultimo decennio, numerosi studi hanno affrontato a breve e lungo termine effetti di tDCS sulle diverse misure di prestazioni comportamentali durante compiti motori e cognitivi, sia in soggetti sani e in un certo numero di diverse popolazioni di pazienti. Finora, tuttavia, poco si sa circa le basi neurali della tDCS-action in esseri umani per quanto riguarda le reti del cervello di grandi dimensioni. Questo problema può essere affrontato combinando tDCS con tecniche di imaging funzionale del cervello come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) o elettroencefalografia (EEG).
In particolare, fMRI è la tecnica di imaging cerebrale più utilizzata per studiare i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni di motore. Applicatisu tDCS durante fMRI permette l'analisi dei meccanismi neurali alla base degli effetti comportamentali tDCS con alta risoluzione spaziale attraverso l'intero cervello. Recenti studi che utilizzano questa tecnica identificati stimolazione cambiamenti indotti nelle attività cerebrale funzionale compito legate al sito di stimolazione e anche nelle regioni del cervello più lontane, che sono stati associati con un miglioramento comportamentale. Inoltre, tDCS somministrati durante il riposo dallo Stato fMRI ha permesso l'identificazione di cambiamenti diffusi in tutta la connettività funzionale del cervello.
Futuri studi che utilizzano questo protocollo combinato dovrebbero produrre nuove conoscenze sui meccanismi d'azione tDCS in nuove opzioni per l'applicazione più mirato di tDCS nella ricerca e contesti clinici salute e malattia e. Il presente manoscritto descrive questa nuova tecnica in modo step-by-step, con un focus sugli aspetti tecnici della tDCS somministrati durante fMRI.
Introduction
Stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è un metodo non invasivo di stimolazione cerebrale in cui funzionamento corticale viene modulata mediante una debole corrente elettrica (tipicamente 1-2 mA) previsto tra due elettrodi sul cuoio capelluto-apposti. Fisiologicamente, tDCS induce un cambiamento di polarità-dipendente neuronale potenziale di membrana a riposo (RMP) nella regione corticale mirati attraverso la manipolazione dei canali del sodio e di calcio, promuovendo in tal modo variazioni di eccitabilità corticale 1. In particolare, la stimolazione anodica (atDCS) ha dimostrato di aumentare l'attività corticale mediante depolarizzazione neuronale RMP, mentre la stimolazione catodica (ctDCS) riduce l'eccitabilità corticale 2. Rispetto ad altri tipi di stimolazione cerebrale (ad esempio, la stimolazione magnetica transcranica) la sicurezza è stata ben stabilita e finora senza gravi effetti collaterali sono stati segnalati anche in popolazioni vulnerabili 3, 4. Inoltre, almeno per loesiste intensità di stimolazione mannaro (fino a 1 mA), un placebo efficace ("sham") condizione di stimolazione 5, permettendo efficace accecamento dei partecipanti e dei ricercatori alle condizioni di stimolazione, rendendo tDCS uno strumento interessante nelle impostazioni di ricerca sperimentale e clinica.
Numerosi studi finora hanno dimostrato che questi cambiamenti nella eccitabilità corticale possono comportare modulazioni comportamentali. Nel sistema motorio, effetti dipendenti polarità coerenti sono stati riportati 1, 6 per entrambi atDCS e ctDCS. Negli studi cognitivi, la maggior parte degli studi che hanno impiegato atDCS per migliorare le funzioni cognitive riferito effetti benefici sulle prestazioni 7, mentre ctDCS spesso non hanno comportato l'elaborazione cognitiva. Quest'ultimo può essere spiegato dalla maggiore ridondanza delle risorse di elaborazione neurali alla base della cognizione 6. La maggior parte degli studi tDCS hanno impiegato disegni cross-over a studiaregli effetti immediati della stimolazione, che sopravvivono alla cessazione della corrente solo per brevi periodi di tempo 1. Tuttavia, è stato suggerito che i ripetuti impatti stimolazione sulla sintesi proteica, cioè il meccanismo neurale sottostante acquisizione di abilità 8. Infatti, il motore o il successo training cognitivo possono essere aumentati quando combinato con sessioni tDCS ripetuti e stabilità a lungo termine di questi miglioramenti sono stati segnalati per durare fino a diversi mesi in adulti sani 8-10. Questi risultati hanno suscitato un interesse per l'uso della tDCS in contesti clinici e dati preliminari suggeriscono che può anche essere utile come un approccio di trattamento primario o coadiuvante in diverse popolazioni cliniche 3. Tuttavia, mentre un numero relativamente elevato di studi indirizzato effetti neurofisiologici della tDCS nel sistema motorio, poco si sa circa i meccanismi neurali alla base degli effetti tDCS sulle funzioni cognitive del cervello in salute e malattia.Una migliore comprensione del meccanismo d'azione di tDCS è un prerequisito necessario per le applicazioni più mirate di tDCS nella ricerca e nella clinica.
Questo problema può essere affrontato combinando tDCS con tecniche di imaging funzionale del cervello come l'elettroencefalografia (EEG) o la risonanza magnetica funzionale (fMRI). La maggior parte degli studi che indagano i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni motorie hanno scelto di impiegare fMRI 11. In particolare, fMRI è la tecnica di imaging cerebrale più utilizzata per studiare i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni di motore 11. Inoltre, quando combinato con l'applicazione simultanea di tDCS, fMRI permette l'esame dei meccanismi neurali alla base degli effetti comportamentali tDCS con maggiore risoluzione spaziale attraverso l'intero cervello rispetto a EEG (per i recenti descrizioni di combinata tDCS-EEG vedere Schestatsky et al. 12). Il presente manoscritto descrive thuso e combinato di tDCS durante la simultanea fMRI. Questa nuova tecnica è stata utilizzata con successo per studiare i meccanismi neurali alla base tDCS-indotta modulazioni di funzioni motorie e cognitive 13-19. In futuro, questo protocollo combinato produrrà nuove intuizioni sui meccanismi di azione tDCS nella salute e nella malattia. Comprendere l'impatto della tDCS su reti neurali su larga scala come valutato con questa tecnica può porre le basi per un'applicazione più mirata della tDCS nella ricerca e nella clinica.
Il manoscritto si concentrerà sulle differenze tra tDCS comportamentali esperimenti e l'uso combinato di tDCS durante la simultanea fMRI, con particolare enfasi sui requisiti hardware, l'attuazione della tecnica, e considerazioni di sicurezza. A titolo di esempio, una singola sessione di tDCS somministrati al giro frontale inferiore sinistro (IFG) durante la task-assente riposo-stato (RS) e fMRI durante un compito linguaggio 14, 15 will essere descritta, anche se molte altre applicazioni sono possibili 16, 19. Dettagli del disegno sperimentale, caratteristiche dei partecipanti e procedure di analisi dati fMRI sono state descritte in dettaglio nelle pubblicazioni originali 14,15 e sono al di là del campo di applicazione della presente manoscritto. Inoltre, in questi studi, un ulteriore scansione fMRI che sham coinvolte tDCS è stato acquisito e confrontato i risultati della sessione atDCS (vedi "I risultati rappresentativi" per i dettagli). Questa sessione era identica a quella descritta nel presente manoscritto, tranne che la stimolazione è stato interrotto prima dell'inizio della sessione di scansione (vedere la Figura 1 per i dettagli). La presente procedura è stata implementata con successo in uno scanner 3-Tesla Siemens Trio risonanza magnetica presso il Centro di Berlino for Advanced Imaging (Charité Università di Medicina, Berlino, Germania), e dovrebbe, in linea di principio essere applicabile ad altri scanner e 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'applicazione combinata di tDCS con simultanea fMRI ha mostrato il potenziale per chiarire le basi neurali degli effetti immediati della stimolazione attraverso l'intero cervello con alta risoluzione spaziale 13-19. In futuro, tali studi possono essere integrati da studi combinati EEG-tDCS, per sfruttare la risoluzione temporale superiore di quest'ultima tecnica. Inoltre, intrascanner stimolazione consente la verifica della corretta posizione degli elettrodi sul cuoio capelluto (ad esempio</e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da finanziamenti della Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 e DFG-Exc-257, UL: 423/1-1), il Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A e 01GY1144, AF e MM: 01EO0801), il Servizio di Scambio Accademico Tedesco (AF: DAAD-54391829), Go8 Australia – Germania Regime comune di ricerca della cooperazione (DC: 2011001430), l'Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) e Australian Research Council (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Ringraziamo Kate Pulvirenti per l'assistenza editoriale.
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).
