Non-invasiv Elektrisk hjernestimulering Montages for Modulation of Human Motor Function

Summary

Non-invasiv elektrisk hjernestimulering kan modulere kortikal funksjon og adferd, både for forskning og kliniske formål. Denne protokollen beskriver forskjellige hjerne stimulering fremgangsmåter for modulering av den humane motorsystem.

Abstract

Ikke-invasiv elektro hjernestimulasjon (NEBS) blir brukt til å modulere hjerne funksjon og virkemåten, både for forskning og kliniske formål. Spesielt kan NEBS påføres transcranially enten som likestrøm stimulering (tDCS) eller vekselstrøm stimulerings (TACS). Disse stimulerings typer utøve tids-, dose- og i tilfelle av tDCS polaritet-spesifikke effekter på motorikk og ferdigheter læring hos friske personer. I det siste tDCS har blitt brukt for å forsterke behandlingen av motoriske vansker hos pasienter med hjerneslag eller bevegelsesforstyrrelser. Denne artikkelen gir en steg-for-steg-protokollen for å målrette den primære motor cortex med tDCS og transkranial tilfeldig støy stimulering (Ovfø), en spesiell form for kvoter ved hjelp av en elektrisk strøm som brukes tilfeldig innenfor et forhåndsdefinert frekvensområdet. Oppsettet av to forskjellige stimulerings montasjer forklares. I begge montasjer den emitterende elektrode (anoden for tDCS) er plassert på den primære motor cortex av interesse. Tilensidig motor cortex stimulering den mottakende elektrode er plassert på den kontralaterale panne mens for bilateral motor cortex stimulering den mottakende elektrode er plassert på den motsatte primære motor cortex. De fordeler og ulemper ved hver montage for modulering av kortikal eksitabilitet og motorisk funksjon inkludert læring blir diskutert, samt sikkerhet, toleranse og blendende aspekter.

Introduction

Non-invasiv elektrisk hjernestimulering (NEBS), administrasjon av elektriske strømmer til hjernen gjennom intakt skallen, kan endre hjernens funksjon og adferd ^1-3. For å optimalisere den terapeutiske potensialet i Nebs strategier forstå de underliggende mekanismene som fører til nevrofysiologiske og atferdsmessige effekter er fortsatt nødvendig. Standardisering av søknad på tvers av ulike laboratorier og full åpenhet om stimuleringsprosedyrer gir grunnlag for sammenlignbarhet av data som støtter pålitelig tolkning av resultater og evaluering av den foreslåtte virkningsmekanismer. Transkranial likestrøm stimulering (tDCS) eller transkranial vekselstrøm stimulering (TACS) avviker med parameterne for det påførte elektriske strøm: tDCS består av en ensrettet konstant strømflyt mellom to elektroder (anode og katode) ^{2 – 6} mens TACS anvender en vekselstrøm tilført ved enspesifikk frekvens ^7. Transkranial tilfeldig støy stimulering (Ovfø) er en spesiell form for kvoter som bruker vekselstrøm brukes på tilfeldige frekvenser (f.eks., 100-640 Hz) som resulterer i raskt varierende stimulerings intensiteter og fjerne polaritet relaterte effekter ^4,6,7. Polariteten er bare relevant dersom stimulering innstillingen inneholder en stimulering offset, for eksempel støy spekteret tilfeldig endring rundt en 1 mA baseline intensitet (vanligvis ikke brukt). For hensikten med denne artikkelen, vil vi fokusere på arbeid med tDCS og Ovfø effekter på motoriske system, nøye følge en fersk publikasjon fra vår lab ^6.

De underliggende virkningsmekanismer av Ovfø er enda mindre forstått enn av tDCS men trolig forskjellig fra sistnevnte. Teoretisk sett, i det konseptuelle rammen av stokastisk resonans TRNS innfører stimulering-indusert støy til en neuronal system som kan tilveiebringe et signalbehandlings fordel ved å endre the signal-til-støy-forhold ^4,8,9. TRNS kan hovedsakelig forsterke svake signaler og kan dermed optimalisere oppgavespesifikke hjernens aktivitet (endogen støy ^9). Anodisk tDCS øker kortikal eksitabilitet indikert ved endring av spontan nevronal utløsning hastighet ¹⁰ eller økt motor fremkalt potensial (MEP) amplituder ² med effekter utspilte stimulering varighet i minutter til timer. Varige økninger i synaptic effekt kjent som langsiktig potense er tenkt å bidra til læring og hukommelse. Faktisk øker anodisk tDCS synaptiske effekten av motor kortikale synapser gjentatte ganger aktiveres av en svak synaptisk inngang ^11. I samsvar, er forbedret motorikk / ferdighet oppkjøpet ofte avslørt bare hvis stimulering er co-påføres med motor trening ^11-13, også foreslå synaptisk co-aktivering som en forutsetning for denne aktiviteten avhengig prosess. Likevel årsakssammenheng mellom økninger i cortical oppstemthet (økning i avfyring hastighet eller MEP amplitude) på den ene siden og forbedret synaptisk effektivitet (LTP eller atferdsmessige funksjon som motorisk læring) på den annen side har ikke blitt vist.

NEBS tilført til den primære motor cortex (M1) har tiltrukket seg økende interesse som sikker og effektiv metode for å modulere human motorisk funksjon ^1. Nevrofysiologiske effekter og atferds utfallet kan være avhengig av stimulering strategi (f.eks tDCS polaritet eller Ovfø), elektrode størrelse og montasje ^{4 – 6,14,15.} Bortsett fra emne iboende anatomiske og fysiologiske faktorer elektroden montage påvirker betydelig elektrisk felt distribusjon og kan resultere i forskjellige mønstre av nåværende sprer innenfor cortex ^16-18. I tillegg til intensiteten av den påførte strøm av størrelsen av elektrodene bestemmer strømtettheten levert ^3. Felles elektrode montasjeri menneskelig motor systemstudier omfatter (figur 1): 1) anodisk tDCS som ensidig M1 stimulering med anoden plassert på M1 av interesse og katoden plassert på motsatt pannen; den grunnleggende ideen om denne tilnærmingen er oppregulering av oppstemthet i M1 av interesse ^{6,13,19 – 22;} 2) anodisk tDCS som bilateral M1 stimulering (også referert til som "bihemispheric" eller "dual" stimulering) med anoden plassert på M1 av interesse og katoden plassert på den kontralaterale M1 ^{5,6,14,23,24;} den grunnleggende ideen om denne tilnærmingen er å maksimere stimulering fordelene ved oppregulering av oppstemthet i M1 av interesse mens downregulating oppstemthet i motsatt M1 (dvs. modulering av interhemispheric hemming mellom de to M1S); 3) For Ovfø, har bare den ovennevnte ensidig M1 stimulering montage vært investigrerte ^4,6; med denne montage eksitabilitet fremmende effekter av TRNS er funnet for frekvensspekteret av 100-640 Hz ^fire. Valget av hjernestimulering strategi og elektrodemontasje representerer et kritisk punkt for en effektiv og pålitelig bruk av NEBS i kliniske eller forsknings innstillinger. Her disse tre Nebs prosedyrene er beskrevet i detalj som brukes i menneskelige motor systemstudier og metodiske og begrepsmessige aspekter blir diskutert. Materialer for unilaterale eller bilaterale tDCS og ensidige Ovfø er de samme (figur 2).

Figur 1. Elektrode montasjer og strømretningen for forskjellige Nebs strategier. (A) For ensidig anodisk transkranial likestrøm stimulering (tDCS) er anoden sentrert over den primære motor cortex av interesse og katoden plassert over than Kontralateralt supra-orbital området. (B) For bilateral motor cortex stimulering, anode og katode er plassert hver over en motor cortex. Plasseringen av anoden bestemmer motor cortex av interesse for anodisk tDCS. (C) For ensidig transkranial tilfeldig støy stimulering (TRNS) blir en elektrode plassert over motoren cortex og den andre elektrode over motsatt supra-orbital område. Av strømmen som føres mellom elektrodene er indikert med sorte pil. Anode (+, red), katode (-, blå), Vekselstrøm (+/-, grønn). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Etikk uttalelse: Humanstudier krever skriftlig informert samtykke fra deltakerne før studiestart. Innhent godkjenning av relevante etiske komité før rekruttering av deltakere. Sørg for at studiene er i samsvar med Helsinkideklarasjonen. De representative funnene som presenteres her (figur 4) er basert på en studie utført i samsvar med Helsinkideklarasjonen endret ved 59 th WMA generalforsamling, Seoul, oktober 2008 og godkjent av den lokale etikkomiteen ved Universitetet i Freiburg. Alle fa…

Representative Results

For å undersøke effekten av NEBS på menneskemotorsystem er det viktig å vurdere aktuelle utfallsmål. En fordel ved den motoriske system er tilgjengeligheten av de kortikale representasjoner av elektroverktøy. Motor fremkalt respons blir ofte brukt som en indikator på motor kortikale eksitabilitet. Etter påføring av 9 minutter eller mer av anodisk tDCS ved en strømtetthet på 29 uA / cm 2, er motoren kortikal eksitabilitet økes i minst 30 minutter i de fleste friske …

Discussion

Denne protokollen beskriver typiske materialer og prosessuelle skritt for modulering av hånden motorikk og ferdigheter læring ved hjelp NEBS, spesielt unilateral og bilateral M1 stimulering for anodisk tDCS, og ensidige Ovfø. Før du velger en bestemt NEBS protokoll for et menneske motor system studie, f.eks., I sammenheng med motorisk læring, metodiske aspekter (sikkerhet, toleranse, blinding) samt konseptuelle aspekter (montasje eller strømtype spesifikke effekter på en bestemt hjerneregion) må tas i b…

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