一次運動野代謝に及ぼすバイ半球経頭蓋電気刺激効果の測定のためのツールと​​しての磁気共鳴分光法の利用

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

経頭蓋直流電流刺激（TDCは）は、ますます、脳卒中やうつ病などの神経学的および精神医学的障害の治療において過去10年間使用されてきた神経調節技術です。しかし、臨床症状を改善するために、脳の興奮性を調節するその能力の根底にあるメカニズムは不十分^{33 ​​を}理解されたままである。そのような領域特異的な様式⁴¹におけるγアミノ酪酸（GABA）及びグルタミン酸のような脳の代謝物のin vivo定量化を可能にするように、この理解を改善するために、プロトン磁気共鳴分光法^（1 H-MRS）を使用することができる。実際、最近の研究では^、1 H-MRSが実際によりよい神経伝達物質の濃度を³⁴のTDCの影響を理解するための強力な手段であることを実証した。この記事では、MEGA-PRESSの配列を使用して3 Tにおいて^、1 H-MRSでのTDC（NeuroConn MR互換刺激）を組み合わせるための完全なプロトコルを記述することを目的とuence。私たちは、一次運動野^27,30,31の二国間の刺激から成る脳卒中後の運動機能障害の治療のための偉大な約束を示しているプロトコルの影響を説明します。考慮すべき方法論的要因やプロトコルへの可能な修飾も議論されている。

Introduction

その活性を調節するために、人間の脳に電気を印加するという考えは古くから研究されてきた。実際には、早ければ11 ^世紀などの著作はてんかん発作¹の治療における魚雷電気魚の使用を記載していることが見出されている。しかし、それは認知機能および運動反応²に対して調節効果を産生することが示されたように、非侵襲的脳刺激は、科学界で広く関心を受信したことを、最近まではない。経頭蓋磁気刺激（TMS）は広く1980の³から研究されてきたが、それは現在、脳卒中⁴のように、神経病理広範囲のための実行可能な治療選択肢と見なされているように、経頭蓋直流刺激（TDCの）の最近の関心が高まっているアルコール依存症^5、および慢性疼痛^6。 TDCは、例えば、TMSなどの神経刺激法に比べて多くの利点があり、それは、比較的、安価な無痛であるため、十分にこのようにベッドサイド⁷で投与することが可能となる、患者によって許容され、ポータブル。実際には、患者のわずかな割合は、刺激⁸時に軽度のピリピリ感を経験する。しかし、この感覚は通常、数秒後に消え^9。参加者の大半が本当の刺激^9,10から偽刺激を区別することはできませんので、結果的に、TDCは、堅牢な二重盲検、偽対照試験を可能にします。

TDCは、一定の低アンペア数の電流（1-2 MA）​​の誘導は、被験者の頭皮上に配置された表面電極を介して皮質に適用することを含む。電極は、通常、生理食塩水に浸したスポンジに、または直接EEG型ペーストで頭皮上に配置されている。 TDCの研究を行うために、4つの主要なパラメータは、実験者が制御する必要がある：刺激の1）期間; 2）刺激の強度。 3）電極サイズ; 4）電極モンタージュ。基準電極は、通常、眼窩領域の上に配置されている間、標準的なプロトコルでは、「活性」電極は、関心のある領域上に配置される。負に帯電したカソードに向かって正に帯電したアノードから電流が流れる。一次運動野（M1）上のTDCの効果は、陽極刺激はニューロン集団の興奮性を高め、陰極刺激がそれを¹¹減少させる刺激の極性によって決定される。 TMSとは異なり、誘導電流は、皮質ニューロンにおける活動電位を生じさせるには不十分である。皮質興奮性の変化は、膜電位の過分極または電流の流れ^8,11の方向に応じてニューロンの脱分極の促進のいずれかをもたらす膜ニューロンのしきい値の調節に起因すると考えられている。オフセット後に興奮性の変化の持続時間は最大90分間持続することができます刺激持続時間^11,12に応じて、刺激。

TDCは、モーター系リハビリテーション

モータは、単一パルスTMS ³によって誘導された電位（MEPの）を誘発を通じてのTDCによって誘発される興奮性の変化を定量することができるので、M1が広く刺激の標的として使用されている。 TDCはによって誘導される極性固有の興奮性の変化を測定する可能性を示す初期の研究は、刺激^11,12のターゲットとしてM1を使用している。それ以来、M1は理由運動機能、記憶形成、および運動技能の統合¹²におけるその重要性の臨床的集団と健常者の両方を含む研究中のTDCの主要な目標の一つであり続けています。

脳は運動^14を実行するために両半球の運動領域の間の複雑な相互作用に依存しています。一方の領域が破損している場合には、例えば脳卒中を患った後、インター半球の相互作用が変更される。脳の可塑性に関する研究は、脳の運動野が異なる方法¹⁵において、この変更に適応することが示されている。イントラ半球阻害と呼ばれるプロセス – まず、損傷領域の無傷で、周囲の領域は、損傷領域の阻害につながる、overactivedになることができます。第二に、損傷を受けた領域の相同領域は、過剰活性化になり、負傷した半球上の阻害を発揮することができる – 半球間阻害と呼ばれるプロセス。影響を受けたM1は、したがって、二回処罰することができます：最初の病変によって影響を受けないと第二M1および影響を受けたM1 ¹⁶の周囲の領域の両方から来る阻害によって。最近の研究では、不適応な半球間競争¹⁸として説明してきた遅いリハビリテーション¹⁷に連結されている影響を受けない半球に興奮が増加することが示されている。

後に発生した可塑性を理解するストロークは、半球間相互作用^19を復元することができます神経調節プロトコールの開発につながる可能性があります。 3つの主要なTDCの治療は、脳卒中^20,21以下の運動障害を有する患者において提案されている。最初の治療は、一方的な陽極刺激 （TDCの-）で負傷した運動皮質を再活性化することを目指しています。この場合、刺激は直接回収のために必須であると考えられている病変周囲の領域で活性を増加させることを目的とする。実際、研究では、この治療^22-26以下の麻痺上側または下肢の改善を示している。第二の治療は、無傷M1を介して一方的な正極のTDCの（c-TDCの）を適用することによってcontralesional半球の過剰活性化を減少させることを目的に開発された。ここでは、刺激は、 間接的に interhemispehric相互作用を介して病変周囲の領域で活性を増加させることを目指しています。これらの研究から得られた結果は、モータの改善を示しているfuncti上のc-TDCは^4,27-29後。最後に、第3の処理は、 二国間のTDCを使用して影響を受けていないM1オーバーのc-TDCの抑制効果と、負傷したM1のオーバーTDCのの興奮効果を組み合わせることを目指しています。結果は、二国間のTDC ^27,30,31後の運動機能の改善を示している。また、一つの研究は、両方の一方的な方法³²に比べて、二国間のTDCを、次の大きな改善を示した。

TDCのの生理学的メカニズム

脳卒中の治療におけるTDCの使用の増加にもかかわらず、その効果の基礎となる生理学的メカニズムは不明のまま^33。生理学的効果のより良い理解は、より良い治療の選択肢の開発に役立つ可能性があり、標準化されたプロトコルにつながる可能性があります。前述したように、TDCの効果は、刺激^11,12のオフセット後最大90分間続く ​​ことができる。したがって、過分極/脱分極プロセスは完全に長期的影響^33,34を説明することはできません。別の仮説は後遺症、神経伝達物質放出、タンパク質合成、イオンチャンネル機能、または受容体活性^34,35の変化を含むM1にTDCの根底にある生理学的メカニズムについて提案されている。逆の効果が示されたのに対し、この問題への洞察は、第グルタミン酸N-メチル-D-アスパラギン酸（NMDA）受容体拮抗薬、デキストロメトルファン^36,37によりM1の興奮に陽極と陰極刺激の影響後の抑制を示す薬理学的研究を介して取得されたNMDA受容体アゴニスト^38を使用して。 NMDA受容体は、グルタミン酸作動性及びGABA作動性ニューロン^39,40の両方によって媒介される、長期増強（LTP）および長期抑圧（LTD）を介して学習および記憶機能に関与すると考えられている。これらは、TDCのがLTP ^13を誘導することが示されているように、動物研究は、この仮説と一致している。

<TDCの効果の根底にある作用機構についての我々の理解で行われた重要な進歩にもかかわらず= "jove_content「Pクラス>、薬理プロトコル現在重要な制限。実際、薬物作用、特に人体実験の文脈において、TDCのような空間的に特異的であることはできず、その効果の作用機構は、シナプス後受容体³⁴に主に起因する。したがって、より直接的に人間の脳に対するTDCの効果を調査する必要がある。プロトン磁気共鳴分光法^（1 H-MRS）は、特定の関心領域内の神経伝達物質の濃度の生体内検出を非侵襲を可能として良好な候補である。この方法は、脳内のすべてのプロトンを含有する神経化学が特定の分子構造を有し、その結果^、1 H-MRS ⁴¹によって検出され得る化学的に特定の共振を生成するという原理に基づいている。中の脳のボリュームから取得された信号terestは1〜5 ppmの間で共鳴するすべてのプロトンから生成される。取得された神経化学物質は、スペクトル上で表現し、いくつかの明確に区別できるピークを有するそれらの化学シフトの関数としてプロットし、異なる神経化学物質の多くの共振が重なる場所される。各ピークの信号強度がneurometabolite ⁴¹の濃度に比例する。定量化することができる神経化学物質の量は、磁界^42,43の強さに依存します。しかしながら、非常に強い共鳴によって隠されている低濃度の代謝産物は、3 T.など重複信号に関する情報を取得する1つの方法は、スペクトル編集を介して強い共鳴を除去することであるような低い磁場強度で定量化が困難である。このような技術の一つは、γアミノ酪酸（GABA）信号^44,45の検出を可能にするMEGA-PRESS配列である。

ごく少数の研究では、上のTDCの影響を調査したモーター^34,46および非運動の地域で^は、1 H-MRSを用いて脳代謝は⁴⁷スタッグと共同研究者^34は 、TDCは、C-TDCは、とM1代謝に偽刺激の効果を評価した。彼らは、TDCの次のGABA濃度の有意な減少、およびc-TDCの次のグルタミン酸+グルタミン（GLX）およびGABAの有意な減少を見出した。別の研究では、M1過剰のTDCにより誘導されるGABA濃度の変化量は、運動学習⁴⁶に関連していたことが報告された。

これらの研究は、運動機能に対するTDCの効果が根底にある生理学的メカニズムの理解を高めるためのTDCでの¹ H-MRSを組み合わせる可能性を強調表示します。彼らの行動への影響はよく研究されており、直接の生理学的な結果に関連させることができるので、また、このような、M1オーバーのTDCおよびc-TDCのような臨床プロトコルの使用に便利です。そのため、二国間tDCにを組み合わせるための標準プロトコルSおよび¹ H-MRSは、3 T MRIシステムを用いて、健康な参加者において明らかにされる。 BihemisphericのTDCは、一方的な陰極または陽極TDCの片側性の運動野³⁴の上に塗布された以前のMRS研究でデータを対比するために提示される。プロトコルは、MEGA-PRESS ¹ H-MRSを実行シーメンス3、TスキャナでNeuroConn刺激による刺激のために具体的に説明する。

Protocol

研究では、UNITEデNeuroimagerie Fonctionnelleとモントリオール大学の研究と地域倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言で述べたように倫理規範に準拠して行われた。すべての被験者は、MRI互換性のために慎重なスクリーニング以下の書面によるインフォームドコンセントを与え、財政的に参加が補償された。 1. TDCの素材すべての必要な材料は、（リストについ?…

Representative Results

図6は 、すべてのMRS措置が取られたM1における手の表現にありますVOIの位置を示している。 図6Dに、3Dビジュアライゼーションは、推定一次運動野を介して頭皮上に配置されたTDC電極の明確な表現を示す。7に示す代表「EDIT OFF」と違い、M1で取得された（「DIFF」）スペクトル図 。 GLX、GABA + MMならびにNAAに対応するピークが明瞭に見ることが?…

Discussion

3 Tスキャナを使用したTDCを組み合わせて¹ H-MRSのための標準プロトコルを記述することを目的とした本研究。次のセクションでは、方法論的な要因が議論される。

重要なステップ
禁忌スクリーニング
実験の前に、TDCはおよび¹ H-MRSの使用に関するあらゆる禁忌の画面参加者に非常に重要です。以下の除外基準の使用が推奨さ?…

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