Non invasiva elettrico Brain Stimulation montaggi per la modulazione della funzione motoria umana
Summary
la stimolazione non invasiva elettrica cerebrale in grado di modulare la funzione e il comportamento corticale, sia per la ricerca e scopi clinici. Questo protocollo descrive diversi approcci stimolazione cerebrale per la modulazione del sistema motorio umano.
Abstract
la stimolazione elettrica del cervello non invasiva (NEBS) viene utilizzato per modulare la funzione del cervello e il comportamento, sia per la ricerca e scopi clinici. In particolare, NEBS può essere applicato transcranially sia come stimolo corrente continua (tDCS) o alternata stimolazione corrente (TAC). Questi tipi di stimolazione esercitano tempo-, dose-e, nel caso di tDCS effetti specifici di polarità sulla funzione motoria e la capacità di apprendimento nei soggetti sani. Ultimamente, tDCS è stato utilizzato per aumentare la terapia delle disabilità motorie in pazienti con disturbi ictus o movimento. Questo articolo fornisce un protocollo di step-by-step per il targeting la corteccia motoria primaria con tDCS e la stimolazione transcranica rumore casuale (Trns), una specifica forma dei TAC utilizzando una corrente elettrica applicata in modo casuale all'interno di una gamma di frequenza predefinita. La messa a punto di due diversi montaggi di stimolazione è spiegato. In entrambi i montaggi l'elettrodo emettitore (l'anodo per tDCS) è posto sulla corteccia motoria primaria di interesse. Perstimolazione corteccia motoria unilaterale l'elettrodo ricezione viene posto sulla fronte controlaterale mentre per la stimolazione bilaterale corteccia motoria l'elettrodo ricezione è posto sul fronte corteccia motoria primaria. I vantaggi e gli svantaggi di ogni montaggio per la modulazione di eccitabilità corticale e la funzione motoria compreso l'apprendimento sono discussi, così come la sicurezza, la tollerabilità e gli aspetti accecanti.
Introduction
La stimolazione non invasiva elettrica del cervello (NEBS), la somministrazione di correnti elettriche al cervello attraverso il cranio intatto, può modificare la funzione e il comportamento del cervello 1 – 3. Per ottimizzare il potenziale terapeutico delle strategie NEBS La comprensione dei meccanismi sottostanti che portano ad effetti neurofisiologici e comportamentali è ancora necessario. Standardizzazione di applicazione in diversi laboratori e la piena trasparenza delle procedure di stimolazione fornisce la base per la comparabilità dei dati che supporta l'interpretazione affidabile dei risultati e la valutazione dei meccanismi d'azione proposti. Transcranial stimolazione corrente (tDCS) transcranica o alternata stimolazione corrente (TAC) differiscono dai parametri della corrente elettrica applicata: tDCS costituito da un flusso di corrente costante unidirezionale tra due elettrodi (anodo e catodo) 2 – 6 tACS mentre utilizza una corrente alternata applicata allafrequenza specifica 7. Stimolazione transcranica rumore casuale (Trns) è una forma speciale dei TAC che utilizza una corrente alternata applicata a frequenze casuali (ad es., 100-640 Hz) con conseguente rapidamente diverse intensità di stimolazione e la rimozione di polarità legate 4,6,7. La polarità è solo di rilevanza se l'impostazione stimolazione comprende compensato una stimolazione, per esempio, spettro del rumore casuale che cambia intorno a un mA intensità +1 linea di base (di solito non utilizzato). Ai fini di questo articolo, ci concentreremo sul lavoro utilizzando tDCS e gli effetti Trns sul sistema motorio, seguendo da vicino una recente pubblicazione dal nostro laboratorio 6.
I meccanismi alla base di azione di Trns sono ancora meno capito che di tDCS, ma probabilmente diversa da quest'ultima. Teoricamente, nel quadro concettuale della risonanza stocastica Trns introduce rumore stimolazione indotta da un sistema neuronale che può fornire un beneficio di elaborazione del segnale alterando °e rapporto segnale-rumore 4,8,9. TRNS può prevalentemente amplificare i segnali deboli e potrebbe quindi ottimizzare l'attività cerebrale compito specifico (endogena rumore 9). Anodal tDCS aumenta corticale eccitabilità indicato dalla alterazione della frequenza di scarica neuronale spontanea 10 o maggiore motore potenziali evocati (MEP) ampiezze 2 con gli effetti superando la durata stimolo per minuti a ore. aumenta lunga durata di efficacia sinaptica noto come potenziamento a lungo termine si ritiene contribuiscano all'apprendimento e alla memoria. Infatti, anodica tDCS migliora l'efficacia sinaptica del motore sinapsi corticali ripetutamente attivati da un debole ingresso sinaptico 11. In accordo, l'acquisizione di una migliore funzione motoria / abilità è spesso rivelata solo se la stimolazione è co-applicato con la formazione del motore 11 – 13, anche suggerendo sinaptica co-attivazione come prerequisito di questo processo di attività-dipendente. Tuttavia, la causalità tra gli aumenti in cnon è stato dimostrato eccitabilità ortical (aumento della frequenza di scarica o MEP ampiezza) da un lato e una migliore efficacia sinaptica (LTP o funzione del comportamento quali l'apprendimento motore) dall'altro.
NEBS applicata alla corteccia motoria primaria (M1) ha attirato un crescente interesse come metodo sicuro ed efficace per modulare la funzione motoria umana 1. Effetti neurofisiologici e comportamentali risultato può dipendere dalla strategia di stimolazione (ad esempio, tDCS polarità o Trns), le dimensioni degli elettrodi e del montaggio 4 – 6,14,15. Oltre a fattori anatomici e fisiologici disciplinari inerenti il montaggio degli elettrodi influenza in modo significativo la distribuzione del campo elettrico e può portare a diversi modelli di attuale diffusione all'interno della corteccia 16 – 18. Oltre all'intensità della corrente applicata la dimensione degli elettrodi determina la densità di corrente erogata 3. montaggi elettrodo comunein motoria umana studi sistema includono (Figura 1): 1) anodica tDCS come la stimolazione unilaterale M1 con l'anodo posizionato sulla M1 di interesse e il catodo posizionato sulla fronte controlaterale; l'idea di base di questo approccio è upregulation dell'eccitabilità nella M1 di interesse 6,13,19 – 22; 2) anodica tDCS come la stimolazione bilaterale M1 (anche denominato stimolazione "bihemispheric" o "dual") con l'anodo posizionato sulla M1 di interesse e il catodo posizionato sul controlaterale M1 5,6,14,23,24; l'idea di base di questo approccio è di massimizzare i vantaggi di stimolazione da upregulation di eccitabilità nel M1 di interesse, mentre downregulating eccitabilità nel M1 opposto (vale a dire, la modulazione di inibizione interemisferica tra le due M1); 3) Per Trns, solo il unilaterale stimolazione montaggio M1 di cui sopra è stata investigated 4,6; con questo montaggio eccitabilità potenziando gli effetti di Trns sono stati trovati per lo spettro di frequenza di 100-640 Hz 4. La scelta della strategia di stimolazione cerebrale ed elettrodo montaggio rappresenta un passo fondamentale per un uso efficiente e affidabile di NEBS in ambito clinico o di ricerca. Qui queste tre procedure NEBS sono descritte in dettaglio come utilizzare in studi di sistema motore umane e aspetti metodologici e concettuali sono discussi. Materiali per tDCS unilaterali o bilaterali e Trns unilaterali sono gli stessi (Figura 2).
Figura 1. montaggi elettrodi e direzione della corrente per le strategie NEBS distinti. (A) Per unilaterale anodica stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS), l'anodo è centrata sulla corteccia motoria primaria di interesse e il catodo posizionato su tegli controlaterale zona sovra-orbitale. (B) Per la stimolazione corteccia motoria bilaterale, anodo e catodo sono situate ciascuna su una corteccia motoria. La posizione dell'anodo determina la corteccia motoria di interesse per tDCS anodica. (C) Per la stimolazione rumore casuale transcranial unilaterale (Trns), un elettrodo si trova sulla corteccia motoria e l'altro elettrodo sull'area sovra-orbitale controlaterale. Il flusso di corrente tra gli elettrodi è indicato dalla freccia nera. Anodo (+, rosso), il catodo (-, blu), Corrente alternata (+/-, verde). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive materiali tipici e fasi procedurali per la modulazione della funzione motoria mano e l'abilità di apprendimento utilizzando NEBS, in particolare la stimolazione unilaterale e bilaterale M1 per anodica tDCS, e Trns unilaterali. Prima di scegliere un particolare protocollo NEBS per uno studio sistema motorio umano, ad esempio., Nel contesto di apprendimento motorio, aspetti metodologici (sicurezza, la tollerabilità, accecante) nonché gli aspetti concettuali (montaggio o di tipo c…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MC e JR sono supportati dalla German Research Foundation (DFG RE 2740 / 3-1).
Materials
| NEBS device (DC Stimulator plus) | Neuroconn | ||
| Electrode cables | Neuroconn | ||
| Conductive-rubber electrodes | Neuroconn | 5×5 cm | |
| Perforated sponge bags | Neuroconn | 5×5 cm | |
| Non-conductive rubber sponge cover | Amrex-Zetron | FG-02-A103 | Rubber pad 3"*3" |
| NaCl isotonic solution | B. Braun Melsungen AG | A1151 | Ecoflac, 0,9% |
| Cotton crepe bandage | Paul Hartmann AG | 931004 | 8x5m, textile elasticity |
| Adhesive tape (Leukofix) | BSN medical | 02122-00 | 2,5cm*5m |
| Skin preparation paste | Weaver | 10-30 | |
| Magnetic stimulator | Magstim | 3010-00 | Magstim 200 |
| EMG conductive paste | GE Medical Systems | 217083 | |
| EMG bipolar electrodes | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| EMG amplifier | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Cable for EMG signal transmission | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Data acquisition unit | Cambridge Electronic Design (CED) | MK1401-3 | AD converter |
| Computer for signal recording and offline analysis | |||
| Signal 4.0.9 | Cambridge Electronic Design (CED) | Software | |
| non-permanent skin marker | Edding | 8020 | 1 mm, blue |
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