Die Verwendung von magnetischen Resonanzspektroskopie als Werkzeug für die Messung der Bi-hemisphärische transkranielle elektrische Stimulation Auswirkungen auf primären motorischen Kortex Metabolism

Summary

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (¹H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

Abstract

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist ein Neuromodulation Technik, die zunehmend im letzten Jahrzehnt in der Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression verwendet wurde. Dennoch bleibt die Mechanismen seiner Fähigkeit, die Erregbarkeit des Gehirns zu modulieren, um klinische Symptome zu verbessern zugrunde liegenden schlecht verstanden ^33. Zur Verbesserung dieses Verständnis kann Magnetresonanzspektroskopie ⁽¹ H-MRS) verwendet werden, da sie den in vivo Quantifizierung von Hirnstoffwechselprodukte wie γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glutamat in einer Region-spezifischen Weise ^41. In der Tat, eine aktuelle Studie gezeigt, dass ^ein H-MRS ist in der Tat ein wirksames Mittel, um die Auswirkungen der tDCS auf Neurotransmitter-Konzentration ³⁴ besser zu verstehen. Dieser Artikel soll die komplette Protokoll zum Kombinieren tDCS (neuroConn MR-kompatible Stimulator) mit ¹ H-MRS bei 3 T mit einem MEGA-PRESS seq beschreibenuss. Wir beschreiben die Auswirkungen eines Protokolls, das große Versprechen für die Behandlung von Bewegungsstörungen nach Schlaganfall, die bilaterale Stimulation der primären motorischen Kortex ^27,30,31 besteht gezeigt hat. Methodische Faktoren zu berücksichtigen und mögliche Änderungen an dem Protokoll werden ebenfalls diskutiert.

Introduction

Die Idee der Anwendung von Elektrizität zu dem menschlichen Gehirn, um seine Aktivität zu modulieren, ist seit der Antike sucht. Tatsächlich Schriften bereits ab dem 11. ^Jahrhundert wurde festgestellt, dass die Verwendung des Torpedos elektrische Fische bei der Behandlung von epileptischen Anfällen ¹ beschreiben. Dennoch ist es bis vor kurzem nicht, dass nicht-invasive Gehirnstimulation hat breites Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erhalten, wie es wurde gezeigt, dass modulatorische Effekte auf die kognitive Funktion und motorische Antwort ² zu produzieren. Während transkranielle Magnetstimulation (TMS) wurde ausgiebig seit den frühen 1980er Jahren ³ studiert, hat kürzlich Interesse an der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) erhöht, wie es jetzt gilt als eine praktikable Behandlungsoption für eine breite Palette von Neuropathologien, wie Schlaganfall ^4, Alkoholsucht ^5, und chronischen Schmerzen ^6. tDCS hat viele Vorteile gegenüber Neurostimulationstechniken wie TMS, zBda sie relativ billig, schmerzlos ist, von den Patienten gut toleriert wird, und tragbar ist, wodurch es möglich ist, am Bett ⁷ verwalten. In der Tat, nur ein kleiner Prozentsatz der Patienten berichten über ein leichtes Kribbeln während der Stimulation ^8. Allerdings verschwindet dieses Gefühl in der Regel nach ein paar Sekunden ^9. Folglich ermöglicht tDCS robuste doppelblinde, scheinkontrollierte Studien, da ein Großteil der Teilnehmer können Scheinstimulation nicht zu unterscheiden von echten Stimulation ^9,10.

tDCS beinhaltet die Induktion einer konstanten Niederstromstärken (1-2 mA) über Oberflächenelektroden auf der Kopfhaut der Person angeordnet ist, um den Kortex aufgebracht. Die Elektroden werden in der Regel in Kochsalzlösung getränkten Schwamm oder direkt auf der Kopfhaut mit einem EEG-Aktivität Paste gegeben. Um eine tDCS Studie durchzuführen, müssen vier Hauptparameter vom Experimentator gesteuert werden: 1) die Dauer der Stimulation; 2) die Intensität der Stimulation; 3) die Elektrodengröße; und 4) die Elektrode Montage. In Standardprotokollen wird die "aktive" Elektrode, die über dem interessierenden Bereich positioniert ist, während die Bezugselektrode ist in der Regel über der Augenpartie gelegt. Der Strom fließt von der positiv geladenen Anode zur negativ geladenen Kathode. Die Wirkung der tDCS auf primären Motorkortex (M1) durch die Polarität der Stimulations bestimmt, wobei anodische Stimulation erhöht die Erregbarkeit einer Population von Neuronen und die kathodische Stimulation reduziert ^11. Im Gegensatz zu TMS, ist der induzierte Strom nicht ausreicht, um Aktionspotentiale in kortikalen Neuronen zu erzeugen. Die Veränderungen in der kortikalen Erregbarkeit wird angenommen aufgrund der Modulation der neuronalen Membran Schwellen die entweder zur Hyperpolarisation der Membran-Potentialen oder eine Erleichterung der Depolarisation von Neuronen in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses ^8,11 sein. Die Dauer der Erregbarkeit Veränderungen kann für bis zu 90 min für die Dauer der Offset-der Stimulation in Abhängigkeit von Stimulationsdauer ^11,12.

tDCS und motorische Rehabilitation

M1 wurde ausgiebig als Ziel der Stimulation verwendet wird, da die Erregbarkeit Änderungen tDCS ausgelöst quantifiziert werden durch den Motor hervorgerufenen Potentialen (MEP) von Einzelpuls TMS ³ induziert. Frühe Studien, die die Möglichkeit der Messung Polarität spezifische Erregbarkeit Veränderungen durch tDCS bewogen haben M1 als ein Ziel der Stimulation ^11,12 eingesetzt. Seitdem hat M1 eines der primären Ziele der tDCS in Studien mit sowohl klinischen Populationen und gesunden Probanden wegen seiner Bedeutung in Motorik, Gedächtnisbildung und Konsolidierung der Motorik ¹² geblieben.

Das Gehirn beruht auf einem komplexen Zusammenspiel zwischen Motor Regionen beider Hemisphären, eine Bewegung ¹⁴ durchzuführen. Wenn ein Bereich beschädigt ist, nach einem Schlaganfall zum Beispiel inter-hemisphärische Wechselwirkungen verändert. Untersuchungen an Gehirnplastizität zeigen, dass die motorischen Arealen des Gehirns Anpassung an diese Änderung in unterschiedlicher Weise ^15. Erstens können die intakten, umliegenden Regionen des beschädigten Bereichs overactived geworden, was zu einer Hemmung der den beschädigten Bereich – einen Prozess namens inner hemisphärischen Hemmung. Zweitens kann die homologe Region des beschädigten Bereich überaktiviert werden und üben Hemmung auf den verletzten Hemisphäre – einen Prozess namens inter-hemisphärische Hemmung. Der betroffene M1 kann daher doppelt bestraft werden: erstens durch die Läsion und zweiten durch die Hemmung kommen sowohl aus dem unberührt M1 und der Region des betroffenen M1 ^16. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass eine erhöhte Erregbarkeit in der betroffenen Hemisphäre wird langsamer Rehabilitation ^17, die als maladaptive inter-hemisphärische Wettbewerb ¹⁸ beschrieben wurde verlinkt.

Das Verständnis der Plastizität nach vorkommendenein Schlaganfall kann zur Entwicklung der Neuromodulation Protokolle, interhemisphärische Wechselwirkungen ¹⁹ wiederherstellen führen. Drei Haupt tDCS-Behandlungen bei Patienten mit motorischen Defiziten nach Schlaganfall ^20,21 vorgeschlagen. Die erste Behandlung zielt darauf ab, den verletzten Motorkortex durch einseitige anodische Stimulation (a-tDCS) zu reaktivieren. In diesem Fall soll die Stimulation direkt auf zunehmende Aktivität in periläsionalen Bereiche, die als wesentlich für die Wiederherstellung angesehen werden. In der Tat haben Studien Verbesserung der paralytischen oberen oder unteren Extremität gezeigt nach dieser Behandlung ^22-26. Die zweite Behandlung wurde mit dem Ziel der Reduzierung der Überaktivierung des kontraläsionalen Hemisphäre durch die Anwendung einseitiger kathodische tDCS (c-tDCS) über den intakten M1 entwickelt. Hier zielt Stimulation bei indirekt zunehmende Aktivität in periläsionalen Gebieten durch interhemispehric Interaktionen. Ergebnisse aus diesen Studien haben die Verbesserung der Motor functi gezeigtenauf nach der C-tDCS ^4,27-29. Schließlich zielt die dritte Behandlung in Kombination der erregenden Wirkungen einer-tDCS über dem verletzten M1 mit den hemmenden Wirkungen von c-tDCS über die unberührt M1 bilaterale tDCS. Ergebnisse wurden Verbesserungen der motorischen Funktion nach bilateralen tDCS ^27,30,31 gezeigt. Darüber hinaus eine Studie gezeigt, größere Verbesserungen folgenden bilateralen tDCS im Vergleich zu den beiden einseitigen Methoden ^32.

Physiologische Mechanismen der tDCS

Trotz der zunehmenden Verwendung von tDCS bei der Behandlung von Schlaganfall, bleibt die physiologische Mechanismus hinter seine Wirkungen nicht bekannt ^33. Ein besseres Verständnis der physiologischen Wirkungen helfen könnte entwickeln bessere Behandlungsmöglichkeiten und könnte zu standardisierten Protokolle führen. Wie bereits erwähnt, können die Effekte der tDCS für bis zu 90 min dauern, nachdem der Offset der Stimulations ^11,12. Daher Hyperpolarisation / DepolarisationProzesse können langfristiger Wirkung ^33,34 nicht vollständig erklären. Unterschiedliche Hypothesen hinsichtlich des physiologischen Mechanismus Nachwirkungen von M1 einschließlich Änderungen der Freisetzung von Neurotransmittern, Proteinsynthese, Ionenkanalfunktion oder Rezeptoraktivität ^34,35 Basiswert tDCS vorgeschlagen. Einblicke in dieser Angelegenheit wurden zuerst durch pharmakologische Studien, die eine Unterdrückung der die Nachwirkungen von anodische und die kathodische Stimulation auf M1 Erregbarkeit durch den glutamatergen N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) -Rezeptor-Antagonist Dextromethorphan ^36,37 erworben, während die entgegengesetzte Wirkung zeigte mit einem NMDA-Rezeptor-Agonisten ^38. NMDA-Rezeptoren sind vermutlich bei Lern- und Gedächtnisfunktion durch Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeit-Depression (LTD), beide von Glutamat und GABA-erge Neuronen ^39,40 vermittelte einbezogen werden. Tierexperimentelle Studien sind im Einklang mit dieser Hypothese, da sie zeigen, dass a-tDCS induziert LTP ^13.

<p class = "jove_content"> Trotz der bedeutenden Fortschritte in unserem Verständnis der Wirkmechanismen zugrunde liegenden tDCS-Effekte, pharmakologische Protokolle vorliegenden wichtige Einschränkungen gemacht. Tatsächlich können Arzneimittelwirkung nicht so spezifisch wie räumlich tDCS, insbesondere im Rahmen der Experimente an Menschen und der Mechanismus der Wirkung ihrer Wirkungen ist hauptsächlich auf post-synaptischen Rezeptoren ^34. Daher besteht ein Bedarf mehr direkt die Auswirkungen der tDCS auf das menschliche Gehirn zu untersuchen. Protonenmagnetische Resonanzspektroskopie ⁽¹ H-MRS) ist ein guter Kandidat, da es ermöglicht nicht-invasive in vivo-Nachweis von Neurotransmitterkonzentration in einem bestimmten Bereich von Interesse. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, daß jedes Proton enthaltenden neuro im Gehirn hat eine spezifische molekulare Struktur und folglich erzeugt chemisch bestimmten Resonanzen, die durch ¹ H-MRS ⁴¹ detektiert werden kann bezogen. Das erworbene Signal aus dem Gehirn Volumen inInteresse von allen Protonen, zwischen 1 und 5 ppm Resonanz erzeugt. Die erworbenen Neurochemikalien werden auf ein Spektrum repräsentiert, und als Funktion ihrer chemischen Verschiebung mit einigen klar unterscheidbare Peaks, aber wo viele Resonanzen der verschiedenen Neurotransmittern lappen. Die Signalintensität der einzelnen Peaks ist proportional zu der Konzentration des neurometabolite ^41. Die Menge an Neurochemikalien, die quantifiziert werden können, hängt von der Stärke des Magnetfeldes ^42,43. Allerdings niedriger Konzentration Metaboliten, die sich durch sehr starke Resonanzen verdeckt sind, sind schwer zu bei niedrigeren Feldstärken zu quantifizieren, wie 3 T. Eine Möglichkeit, Informationen über solche überlappenden Signale zu erhalten ist es, die starke Resonanzen über spektrale Bearbeitung zu entfernen. Eine dieser Techniken ist eine MEGA-PRESS-Sequenz, die Detektion von γ-Aminobuttersäure (GABA) Signale ^44,45 ermöglicht.

Nur wenige Studien haben die Wirkung auf die untersuchten tDCSHirnstoffwechsel unter Verwendung von ¹ H-MRS in Kraft ^34,46 und nicht-motorischen Regionen ^47. Stagg und Mitarbeiter ³⁴ beurteilt die Auswirkungen einer-tDCS, c-tDCS und Scheinstimulation auf M1 Stoffwechsel. Sie fanden eine signifikante Reduktion der GABA-Konzentration Ein-tDCS und eine signifikante Reduktion der Glutamat + Glutamin (Glx) und GABA folgenden C-tDCS. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass die Menge an Änderungen in GABA-Konzentration von a-tDCS über M1 induziert Motorlern ⁴⁶ zusammen.

Diese Studien zeigen das Potential der Kombination von ¹ H-MRS mit tDCS zu unserem Verständnis der physiologischen Mechanismus die Wirkung der tDCS auf die motorische Funktion zugrunde liegenden erhöhen. Darüber hinaus ist die Verwendung von klinischen Protokollen wie a-tDCS und c-tDCS über M1 nützlich, weil ihre Verhaltenswirkungen sind gut untersucht und kann direkt an physiologischen Ergebnisse beziehen. Daher ist ein Standardprotokoll zum Kombinieren bilateralen tDCS und ¹ H-MRS ist bei gesunden Teilnehmern mit einem 3 T-MRT-System demonstriert. Bihemispheric tDCS wird präsentiert, um Daten mit einer früheren Studie, in der MRS einseitige kathodische oder unilaterale anodale tDCS wurden über motorischen Kortex ³⁴ angelegt kontrastieren. Das Protokoll wurde speziell für die Stimulation mit einem neuroConn Stimulator in einem Siemens 3 T Scanner Durchführung MEGA-PRESS ¹ H-MRS beschrieben.

Protocol

Die Studie wurde von der Forschung und Gemeinschaftsethik Beschwerde Unité de Neuroimagerie fonctionnelle und Universität von Montréal zugelassen und wurde in Übereinstimmung mit dem Verhaltenskodex geschehen wie in der Deklaration von Helsinki angegeben. Alle Probanden gaben eine schriftliche Einverständniserklärung nach sorgfältiger Screening für MRI-Kompatibilität und wurden finanziell für ihre Teilnahme kompensiert. 1. tDCS Werkstoff Achten Sie darauf, alle notwendig…

Representative Results

Abbildung 6 zeigt die Position des VOI auf der Darstellung der Hand in M1, wo alle MRS Maßnahmen ergriffen wurden entfernt. In 6D, ein 3D-Visualisierung zeigt eine übersichtliche Darstellung der tDCS Elektroden auf der Kopfhaut über dem vermeintlichen primären motorischen Kortex positioniert. 7 zeigt repräsentative "EDIT OFF" und Differenz ("Diff") Spektren in M1 erworben. Peaks, Glx, GABA + MM sowie NAA kann deutlich gesehen werden. <p clas…

Discussion

Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, ein Standardprotokoll für die Kombination von tDCS und ¹ H-MRS mit einem 3 T Scanner zu beschreiben. Im nächsten Abschnitt werden methodische Faktoren diskutiert werden.

Kritische Steps
Kontra Screening
Vor dem Versuch, ist es wichtig, für jeden Teilnehmer Bildschirm Kontraindikation zur Verwendung von tDCS und ¹ H-MRS. Die Verwendung der folgenden Ausschlusskriterien für tDCS empfohlen…

Materials

DC-stimulator plus	NeuroConn	30DCS01E	MR compatible device
NuPrep preparation gel	Weaver and Co.	#10-61
Ten20 conductive paste	Weaver and Co.	#10-20-4
Electrode prepping pad	Grass technologies	MD0017	70% isopropyl alcohol and pumice
Saline solution	Local drugstore sample		0.9% sodium chloride
Non permanent hydro-marker	Sharpie	SHPE20WH
SYNGO MR VB17	Siemens AG		MRI software
MAGNETOM Trio A Tim System	Siemens AG		MRI scanner version
Matlab 2013a (Version 8.1)	MathWorks Inc		processing and analysis software
LCModel 6.3	LC MODEL inc		see: s-provencher.com
FASTESTMAP	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		shimming sequence
MEGA-PRESS	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		MRS sequence