Transcranial זרם ישר גירוי והדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית בו זמנית

Summary

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחי לא פולשנית. זה בהצלחה כבר בשימוש במחקר בסיסי והגדרות קליניות לווסת את תפקוד מוח בבני אדם. מאמר זה מתאר את היישום של tDCS ודימות תהודה מגנטית תפקודיות בו זמנית (fMRI), כדי לחקור את הבסיס העצבי של השפעות tDCS.

Abstract

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא טכניקת גירוי מוחית לא פולשנית שעושה שימוש בזרמים חשמליים חלשים המנוהלים על הקרקפת כדי לתפעל רגישות קליפת המוח וכתוצאה מכך, התנהגות ותפקוד המוח. בעשור האחרון, מחקרים רבים התייחסו השפעות קצר טווח וארוך טווח של tDCS על מדדים שונים של ביצועים התנהגותיים במהלך משימות מוטוריות וקוגניטיבי, הן באנשים בריאים והן במספר האוכלוסיות חולים שונות. עד כה, עם זאת, מעט מאוד ידוע על היסודות העצביים של tDCS פעולה בבני אדם בכל קשורים לרשתות מוח בקנה מידה גדולה. בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) או electroencephalography (EEG).

בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית. Applicatiעל של tDCS במהלך fMRI מאפשר ניתוח של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה מרחבית גבוהה על פני כל המוח. מחקרים שנעשה לאחרונה שימוש בטכניקה זו זיהו שינויי גירוי הנגרמים בפעילות מוח תפקודית הקשורות למשימות באתר הגירוי וגם באזורים במוח רחוקים יותר, שהיו קשורים עם שיפור התנהגותי. בנוסף, tDCS מנוהל במהלך-נחה המדינה fMRI אפשר זיהוי של שינויים נרחבים בקישוריות תפקודית המוח כולו.

מחקרים עתידיים תוך שימוש בפרוטוקול בשילוב הזה אמורים להניב תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובמחלה ואפשרויות חדשות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות. כתב היד הנוכחית מתארת ​​טכניקה חדשנית זו בצורה של צעד אחר צעד, תוך התמקדות בהיבטים טכניים של tDCS מנוהל במהלך fMRI.

Introduction

גירוי הנוכחי ישיר Transcranial (tDCS) הוא שיטה לא פולשנית של גירוי המוחי שבו תפקוד קליפת המוח הוא מווסת על ידי אמצעים של זרם חלש חשמל (בדרך כלל 1-2 mA) הצפוי בין שתי אלקטרודות מודבקות-קרקפת. מבחינה פיזיולוגית, tDCS גורם שינוי קוטביות תלויה בפוטנציאל הממברנה מנוחה עצבי (RMP) בתוך האזור בקליפת המוח הממוקד באמצעות המניפולציה של תעלות נתרן וסידן, ובכך לקדם את השינויים ברגישות קליפת המוח ^1. באופן ספציפי, anodal גירוי (atDCS) הוכח להגביר את הפעילות בקליפת המוח באמצעות שלילת קוטביות של RMP העצבי תוך גירוי cathodal (ctDCS) מפחית את רגישות קליפת המוח ^2. בהשוואה לסוגים אחרים של גירוי המוח (למשל transcranial גירוי מגנטי) בטיחות כבר מבוססת היטב ועד כה אין לו תופעות לוואי חמור דווח גם באוכלוסיות חלשות ^{3, 4.} כמו כן, לפחות עבור loעוצמות גירוי wer (mA עד 1), פלצבו יעיל ("אחיזת עיניים") מצב גירוי קיים ^5, המאפשר מסנוור יעיל של משתתפים וחוקרים לתנאי הגירוי, עיבוד tDCS כלי אטרקטיבי בהגדרות מחקר ניסוייות וקליניות.

מחקרים רבים עד כה הראו כי שינויים אלה ברגישות קליפת המוח עלולים לגרום למודולציות התנהגותיות. במערכת המוטורית, דווחו תופעות תלויות קוטביות עקבית ^{1, 6} לשני atDCS וctDCS. במחקרים קוגניטיביים, רוב המחקרים שהעסיקו atDCS כדי לשפר תפקודים קוגניטיביים דיווחו השפעות מועילות על ביצועים ^7, בעוד ctDCS לעתים קרובות לא הביא לעיבוד הקוגניטיבי לקוי. האחרונים עשויים להיות מוסבר על ידי יתירות רבה יותר של משאבי עיבוד עצביים שבבסיס ההכרה ^6. רוב מחקרי tDCS יש מועסקי עיצובים צולבים על ללמודההשפעות מיידיות של הגירוי, אשר לשרוד את סיום הנוכחי רק לפרקי זמן קצרים ^1. עם זאת, יש הטוען כי חזרו על השפעות גירוי בסינתזה של חלבונים, כלומר הרכישה העצבית המנגנון הבסיסית מיומנות ^8. ואכן, מנוע או הצלחה אימון קוגניטיבי יכול להיות משופרת בשילוב עם הפעלות tDCS חוזרות ונשנות ויציבות לטווח הארוך של שיפורים אלה כבר דיווחו להימשך עד מספר חודשים במבוגרים בריאים ^8-10. גם ממצאים אלה עוררו עניין בשימוש בtDCS בהקשרים קליניים ונתונים ראשוניים מצביע על כך שזה יכול להיות גם שימושי כגישת טיפול ראשונית או מן החוץ באוכלוסיות קליניות שונות ^3. עם זאת, בעוד שמספר גדול יחסית של מחקרים התייחס תופעות neurophysiological של tDCS במערכת המוטורית, מעט מאוד ידוע על המנגנונים העצביים הבסיסיים של תופעות tDCS על תפקודי מוח הקוגניטיביים בבריאות ובחוליים.הבנה טובה יותר של אופן פעולה של tDCS היא תנאי הכרחי עבור יישומים ממוקדים יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.

בעיה זו ניתן לטפל על ידי שילוב של tDCS עם טכניקות הדמיה מוחית פונקציונליות כמו electroencephalography (EEG) או תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). רוב המחקרים לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית שבחרו להעסיק ¹¹ fMRI. בפרט, fMRI הוא טכניקת הדמיה המוחית ביותר בשימוש נרחב כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס פונקציות קוגניציה ומוטורית ^11. יתר על כן, בשילוב עם יישום במקביל של tDCS, fMRI מאפשר בחינה של המנגנונים העצביים שבבסיס תופעות tDCS התנהגותיות עם רזולוציה גבוהה יותר המרחבי על פני כל המוח, בהשוואה לEEG (לתיאור האחרון של שילוב tDCS-EEG רואה Schestatsky et al. ^12). כתב היד הנוכחית מתארת ​​השימוש בדואר משולב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית. טכניקה חדשנית זו בהצלחה נעשתה שימוש כדי לחקור את המנגנונים העצביים שבבסיס מושרה tDCS מודולציות של תפקודים מוטוריים והקוגניטיביים ^13-19. בעתיד, בשילוב פרוטוקול זה יניבו תובנות חדשות על מנגנוני פעולת tDCS בבריאות ובחוליים. הבנת ההשפעה של tDCS ברשתות עצביות בקנה מידה גדולה כפי שהוערך בטכניקה זו עשויה להניח את היסודות ליישום ממוקד יותר של tDCS במחקר ובמסגרות קליניות.

כתב היד תתמקד בהבדלים בין ניסויי tDCS התנהגותיות והשימוש בשילוב של tDCS במהלך fMRI בו זמנית, עם דגש ספציפי על דרישות חומרה, יישום של הטכניקה, ושיקולי בטיחות. כדוגמא, פגישה אחת של tDCS מנוהל על הרכס החזיתי התחתון של האונה השמאלית (IFG) במהלך משימה נעדרה מנוחת מדינה (RS) fMRI וזמן משימה שפה ^{14, 15} wלהיות מתואר חולה, למרות שיישומים רבים אחרים אפשריים ^{16, 19.} פרטים של עיצוב ניסיוני, מאפייני משתתף ונהלי ניתוח נתוני ה-fMRI שתוארו בפירוט בפרסומים המקוריים ^14,15 והם מעבר להיקפו של כתב היד הנוכחית. יתר על כן, במחקרים אלה, fMRI נוסף לסרוק שדמה מעורב tDCS נרכש ובהשוואה לתוצאות של פגישת atDCS (ראה "תוצאות נציג" לפרטים נוספים). במושב זה היה זהה לזה שתואר בכתב היד הנוכחי, פרט לכך שהגירוי הופסק לפני תחילת פגישת הסריקה (ראה איור 1 לפרטים נוספים). ההליך הנוכחי יושם בהצלחה בסורק 3-טסלה סימנס טריו MRI במרכז ברלין להדמיה מתקדמות (Charité אוניברסיטה לרפואה, ברלין, גרמניה), וצריך באופן עקרוני להיות ישים לסורקים אחרים, כמו גם ^13.

Protocol

1. התוויות נגד ושיקולים מיוחדים יסודיות מסך משתתפים להתוויות נגד MRI (למשל קוצבי לב, קלאוסטרופוביה, וכו ') ולא לכלול במידת צורך. לרכוש שאלונים סטנדרטיים במוסדות קליניים או מחקר הפועלים סורקי MRI. תמיד לציית לנה…

Representative Results

MRI התפקודי הוא טכניקת הדמיה הפונקציונלית ביותר בשימוש נרחב לטיפול במנגנונים העצביים הבסיסיים של תפקודים מוטוריים או קוגניטיבית. לאחרונה, fMRI שימש גם כדי להעריך את השפעות tDCS על פעילות וקישוריות בקליפת המוח. עם זאת, רוב המחקרים הללו מנוהלים tDCS מחוץ לסורק והערכת השפעות ?…

Discussion

היישום המשולב של tDCS עם fMRI בו זמנית הראה פוטנציאל להבהרת היסודות העצביים של ההשפעות מיידיות של הגירוי על פני כל המוח עם רזולוציה מרחבית גבוהה ^13-19. בעתיד, מחקרים כאלה עשויים להיות כהשלמה מחקרי EEG-tDCS משולבים, כדי לנצל את הרזולוציה הזמנית מעולה של הטכניקה האחרונה. בנ…

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