Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er et lovende redskab til ikke-invasiv undersøgelse af hjerneoscillationer, selvom dens virkninger ikke forstås fuldstændigt. Denne artikel beskriver en sikker og pålidelig opsætning til at anvende tACS samtidig med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse, hvilket kan øge forståelsen af oscillerende hjernefunktion og virkninger af tACS.
Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er et lovende redskab til ikke-invasiv undersøgelse af hjerneoscillationer. TACS anvender frekvensspecifik stimulation af den menneskelige hjerne gennem aktuelt anvendt på hovedbunden med overfladeelektroder. Den mest aktuelle viden om teknikken er baseret på adfærdsmæssige studier; Derfor kombinerer metoden med hjernedannelse potentiale for bedre at forstå mekanismerne for tACS. På grund af elektriske og modtagelige artefakter kan kombinering af tACS med hjernedannelse udfordre. Imidlertid er en hjernedannelsesteknik, der er velegnet til samtidig anvendelse med tACS, funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). I vores laboratorium har vi succesfuldt kombineret tACS med samtidige fMRI-målinger for at vise, at tACS-effekter er tilstands-, aktuelle og frekvensafhængige, og at modulering af hjerneaktivitet ikke er begrænset til området lige under elektroderne. Denne artikel beskriver et sikkert og pålideligt sætOp til at anvende tACS samtidig med visuelle opgaver fMRI undersøgelser, som kan udlånes til forståelse af oscillerende hjernefunktion samt virkningerne af tACS på hjernen.
Transcranial vekselstrømstimulering (tACS) er en noninvasiv hjernestimuleringsteknik med løfte om at undersøge neurale oscillationer og frekvensspecifikke hjernefunktioner hos raske individer samt at studere og modulere svingninger i kliniske populationer 1 . Ved anvendelse af to eller flere ledende elektroder anbragt i hovedbunden, sættes de lavtliggende (1-2 mA top-to-peak) sinusformede bølger til hjernen i en ønsket frekvens for at interagere med igangværende neurale svingninger. TACS-undersøgelser har målt frekvens- og opgavespecifikke adfærdsmæssige eller kognitive moduleringer, herunder men ikke begrænset til motorfunktion 2 , arbejdshukommelsesydelse 3 , somatosensation 4 og visuel opfattelse 5 , 6 , 7 . Anvendelse af vekselstrøm på en ikke-invasiv måde har også resulteret i funktionelForbedring i neurologiske patienter, såsom tremorreduktion i Parkinsons sygdom 8 , forbedret syn i optisk neuropati 9 og forbedret talemængde, sensorisk og motorisk genopretning efter slagtilfælde 10 . På trods af et stigende antal undersøgelser, der bruger tACS til forskning og beviser for dets terapeutiske potentiale i kliniske omgivelser, er virkningerne af denne teknik ikke fuldt ud karakteriseret, og dens mekanismer er ikke fuldstændigt forstået.
Simuleringer og dyreforsøg kan give indsigt i virkningerne af vekselstrømstimulering på det cellulære eller neurale netværksniveau under kontrollerede betingelser 11 , 12 , men i betragtning af tilstandsafhængigheden af effektive stimuleringsteknikker 13 , 14 afslører sådanne undersøgelser ikke hele billedet . Kombination af tACS med neuroimaging teknikkerSom elektroencefalografi (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografi (MEG) 18 , 19 , 20 eller funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 kan informere om systemniveaumodulering af hjernefunktion. Men hver kombination kommer med teknologiske udfordringer, primært på grund af stimuleringsinducerede artefakter i måling af frekvenser af interesse 15 . Selv om den tidsmæssige opløsning af fMRI ikke kan matche EEG- eller MEG-målinger, er dens rumlige dækning og opløsning i kortikale og subkortiske hjerneområder overlegen.
For nylig viste vi i et kombineret tACS-fMRI-studie, at virkningerne af tACS på blodets oxygeneringsniveau dEpendent (BOLD) signal målt med fMRI er både frekvens og opgavespecifikke, og at stimuleringen ikke nødvendigvis udøver sin største effekt direkte under elektroderne, men i områder, der er fjernere fra elektroderne 22 . I en efterfølgende undersøgelse undersøgte vi virkningen af tACS elektrode position og frekvens på netværksfunktion ved anvendelse af amplitude af lavfrekvent fluktuationer og hvilende tilstand funktionel forbindelse, herunder anvendelse af korrelationsfrø fra de mest direkte stimulerede regioner, som afledt af subjektbaseret strømtæthed simuleringer. Mest i dette studie fremkaldte alfa (10 Hz) og gamma (40 Hz) stimulering ofte modsatte effekter i netværksforbindelse eller på regional modulering 23 . Desuden var det hviletilstandsnetværk, der var mest berørt, det venstre fronto-parietale kontrolnetværk. Disse undersøgelser fremhæver potentialet for at anvende fMRI til at bestemme optimale parametre for effektiv, kontrolleret stilering. De bidrager også til bevis for, at bortset fra kontrollerede parametre, såsom opgavebetingelser og timing, stimuleringsfrekvens og elektrodepositioner, er der fagspecifikke faktorer, som påvirker succesen af tACS. Eksempler på fagkarakteristika, som oversættes som ukontrollable variabler i optimering af stimuleringsparametre, er iboende funktionel forbindelsesevne, endogen oscillationstopfrekvens ( fx individuel alfafrekvens) og kraniet og hudtykkelse 25 . I betragtning af den nuværende litteraturliste vedrørende tACS kræves flere undersøgelser, der kombinerer tACS med neurale målinger som neuroimaging, for at etablere omfattende procedurer for effektive hjernestimuleringsteknikker.
Her beskriver vi et sikkert og pålideligt setup for eksperimenter, der anvender tACS samtidigt med fMRI af en visuel opgave med fokus på aspekter af opsætningen og udførelsen, der giver succesfuld synkroniseret tACS med artfaktisk opkøb af fMRI data.
Her har vi beskrevet proceduren for et simultant opsætning og udførelse af tACS-fMRI-eksperiment ved hjælp af et MR-kompatibelt tACS-system. Nogle trin i denne procedure kræver særlig opmærksomhed, især med hensyn til emneopsætning. Den MR-kompatible stimulator og opsætning, der anvendes i dette eksperiment, har en minimumsimpedans på ca. 12 kΩ kun med kabler, filterkasser og elektroder, og producenten anbefaler 20 kΩ minimum impedans med elektroder, der er forbundet med motivet. Dette krav afhænger af stimulatorprodukt og fabrikant. Ved anvendelse af elektroder til motivet, hvis impedansen er for høj, kan der tages nogle trin for at reducere denne værdi bortset fra at trykke på elektroderne. For eksempel kan det være lettere at først dække de markerede og rengjorte steder i hovedbunden med elektrodgel, herunder håret, før elektroden presses på hovedbunden. Dette sikrer den nuværende spredning på tværs af det ikke-ledende materiale imidlertid,Pas på at begrænse elektrodgeldækningen til omtrent det samme overfladeareal som elektroderne til likestrøm spredt til det ønskede stimuleringsområde. Vær særligt opmærksom på dette, hvis elektroderne er tæt sammen, fordi den nuværende skråning mellem elektroderne kan forekomme via overskydende elektrodgelkontakt. Hvis elektroden er på bagsiden af hovedet, hvor motivet ligger direkte på det, skal der tages særlig hensyn til at placere puder bag hovedet, således at motivet ikke bliver ubehageligt, da forsøget fortsætter; Dette ubehag er muligvis ikke et problem for faget, men erfaringen viser, at der opstår smerte og stiger med tiden. Som med alle fMRI-eksperimenter introducerer emnet bevægelse også problematiske konfronter, så det er vigtigt, at motivet er komfortabelt med alle kabler og elektroder på plads.
Det vigtigste aspekt af opsætningen at overveje er den støj, der potentielt introduceres iTil MR-miljøet, der kan fremkalde billedgenstande og forvrængninger. Forud for eksperimentet er det forsigtigt at teste for billedgenstande med hele tACS-opsætningen på plads. Et normalt sfærisk fantom kan anvendes, hvilket sikrer elektroder med elektrodgel. Det er vigtigt at tilvejebringe en vis måde for strømmen at rejse mellem elektroder, hvilket kan opnås ved at påføre en generøs mængde elektrodgel i en vej fra en elektrode til den anden. Kør hele eksperimentet som planlagt for emnet, herunder parametervariationer som frekvens og strøm. Under scanningssessionen muliggør justering af kontrast og vinduer til ekstremer i billedfremviseren på MR-scannerens styreenhed lettere visuel registrering af støj. Når der overvåges visuelt for støj før og under eksperimentet, kan der opstå støj som pigge i billedet med højintensitet, mønstre, hvor signalet ikke måles eller varierende intensitet over tid som eksempler. Erhvervelse af fMRI data med RF excitatioN-puls er slukket giver information om scannermiljøstøj under scanning uden at erhverve det egentlige billedsignal (se figur 2 ). Denne støjtest kan udføres i hver scanningssession. Hvis der er variationer i støj, skal du kontrollere, at alle kabler er intakte og godt forbundet med stimulator, elektroder og filterkasser. Ingen kabler bør sidde i sløjfer. Støj eller forvrængning kan opstå fra brudte kabler, elektroder med metalforurenende stoffer i gummi (på trods af at de sælges som MR-kompatible) og defekte forbindelser, blandt andre muligheder. Stimulatoren er batteridrevet for at minimere elektrisk støj i opsætningen; Sørg for, at det er fuldt opladet før hvert forsøg, og at det forbliver på og tilsluttet hele eksperimentet. TSNR i funktionelle billeder vil falde omkring 5% med den tilsluttede stimulator, men værdierne skal være stabile på tværs af stimuleringsbetingelser 22 . Samtidig transcraniel elektrisk stimulering-fMRI test oN cadavers har vist, at der ikke er nogen artefakter forbundet med vekselstrøm stimulering, hvilket er en fordel i forhold til likestrøms stimulation 30 . Teoretisk set kan denne mangel på artefakter forklares ved en netstrøm på nul på det tidspunkt billedet er erhvervet 30 . For nogle af de eksperimenter, der udføres i vores laboratorium, er opkøbstiden eller TR imidlertid ikke et multipel af stimuleringsfrekvensen. Efter at have gennemført de støjprøver, der er nævnt i denne protokol og undersøgte billeder til artefakter, som ikke var synlige, konkluderede vi, at en hvilken som helst forskel i strømmen fra nul er lille og for ubetydelig for at fremkalde artefakter.
Et andet kritisk punkt for succesfulde eksperimenter er, at præsentationscomputeren modtager scannerens triggerudgang, og at stimulatoren modtager udløseren fra præsentationscomputeren. Før eksperimentet skal du programmere det visuelle stimulusdesign og timingen ved hjælp af thE ønsket software. Dette program skal bruge udløsere til at synkronisere den visuelle stimuluspræsentation med MR-scanneren og stimulatoren; Det starter med en trigger, der udskrives fra MR-scanneren og sender også udgangsstiggere til stimulatoren ved ønskede stimuleringstider. En nem måde at kontrollere udløserkommunikation under opsætningen på er at bruge et oscilloskop, der er fastgjort med et BNC-kabel til scannerudløserudgangen samt præsentationscomputerudgangen. I vores opsætning udsender MR-scanneren en trigger (bytte) for hvert funktionsvolumen, der er erhvervet, og præsentationscomputeren udsender et signal som programmeret via præsentationssoftwaren. Analysen af et veludformet eksperiment hviler kritisk på korrekt timet stimulation.
Nogle trin i dette eksperiment kan tilpasses som nødvendigt til laboratorieindstillingskravene. For eksempel beskriver denne opsætning ved hjælp af en projektor og spejle til visuel stimuluspræsentation, dog den visuelle stimulansTput-enhed kan være MR-sikre væskekrystal-beskyttelsesbriller eller en MR-sikker skærm, valgt ud fra eksperiment og laboratoriepræferencer eller begrænsninger. MRI-scanningsparametre skal også skræddersys til eksperimentet. Det er værd at bemærke, at der bør tages hensyn til det passende valg af forsøgskontrol for tACS, selv om et simpelt svar ikke eksisterer. En kort sham-stimulering på 30 sekunder kan efterligne den somatosensation induceret af tACS, som i sidste ende mindskes med langvarig stimulering; Nogle undersøgelser viser imidlertid, at selv korte stimuleringsperioder kan fremkalde oscillatorisk entrainment 12 . En anden mulig kontrol, som kan anvendes til tACS, er at stimulere ved at anvende en ikke-effektiv frekvens, eller med andre ord en anden frekvens end den ene af interesse. Undtagelsen her ville være, at somatosensation og phosphens opfattelse varierer afhængigt af stimuleringsfrekvensen 31 . Endelig vedrørende subjektive oplevelser af stimTACS-inducerede fosfener varierer over enkeltpersoner, så for at bedst indfange emnevariationer bør du overveje at bruge et detaljeret ratingsystem for fosfensperception og bruge lidt tid med emnet, der beskriver de forskellige funktioner i phosphener ( f.eks . Placering, intensitet) Kan opstå, så motivet kan evaluere hans eller hendes oplevelse nøje under stimulering 32 , 33 .
De repræsentative resultater vist her antyder, at tACS-effekter er aktuelle afhængige, frekvensafhængige, og at moduleringen ikke er begrænset til regionerne under elektroderne, men strækker sig til fjerne, sandsynligvis funktionelt forbundne regioner. En begrænsning af denne teknik er den tidsmæssige opløsning af fMRI såvel som af BOLD-responsen. Dataopsamlingen og det hæmodynamiske respons er ikke så hurtige som stimuleringsfrekvensen eller den elektriske aktivitet i hjernen, så direkte interaktioner med frekvensen-specifikke virkninger af tACS kan ikke måles. I betragtning af at den største andel af videnskabelig litteratur om tACS-virkninger er af adfærdsmæssige undersøgelser, og at tACS naturligvis påvirker et helt kompliceret neuralt system, er det klart, at samtidige tACS-fMRI-eksperimenter har meget at tilbyde for at informere os om tACS-effekter i hjernen. EEG og MEG giver indsigt på niveauet af tidsmæssige opløsninger, der matcher neurale aktiviteter. Imidlertid lider EEG og MEG af rumlig opløsning og kortikale dybdebegrænsninger eller beregningsintensive kildekonstruktionsteknikker. Stimuleringsfrekvens og harmoniske artefakter, som overordnede hjerne signaler af interesse registreret ved de samme frekvenser, komplicerer yderligere EEG- og MEG-analyser. Der er blevet anvendt innovative løsninger til at løse nogle af disse udfordringer. Helfrich et al. Ansat en ny teknik til fjernelse af tACS artefakt fra EEG data ved hjælp af en artefakt template subtraktion og princip komponent analyse 15 </sop>. De viste, at 10 Hz tACS anvendt parieto-occipitalt øger alfaaktiviteten i parietale og occipitale cortices og inducerer synkronisering i kortikale oscillatorer, som virker ved lignende indre frekvenser. Witkowski og kollegaer anvendte amplitudemodulerede tACS og med succes skabte MEG-baserede kortikale kort over indlejrede hjerneoscillationer 34 . Med henblik på at anvende tACS i forskning for bedre at forstå normal og unormal hjernefunktion og i sidste ende klinisk til diagnostik eller terapi bør tACS kombineres separat med EEG, MEG og fMRI for at komplementere etablere bedste praksis for specifikke ønskede effekter, som kan skræddersys Specifikt til enkeltpersoner. Når sådanne fremgangsmåder er etableret, kan effektive undersøgelser udføres for bedre at forstå funktionen af neurale svingninger ( fx klart definere funktionelle roller og relationer af forskellige frekvensbånd) og deres modulering med tACS (Fx om mekanismen forekommer gennem inddragelse eller plastændringer 35 ).
I betragtning af fremtidige retninger er den her beskrevne opsætning skræddersyet til fMRI-eksperimenter, der studerer opfattelse eller kognition, som det her beskrevne struktur-fra-motion-studie har vist. Cabral-Calderin og kolleger viste, at aktivering i områder af den occipitale cortex var afhængig af opgave- og tACS-frekvensen i et videoovervågning versus finger-tapping-eksperiment 22 . I et simultant tACS-hvilende tilstand fMRI-studie viste Cabral-Calderin og kollegaerne frekvensafhængige effekter af tACS på egentlige funktionelle forbindelses- og hvilestatistiske netværk 23 . Vosskuhl et al . Kombineret tACS og fMRI for at vise BOLD reduktion under en visuel årvågenhed opgave ved individuel alfa frekvens stimulering 24 . Alekseichuk og kolleger viste, at de umiddelbare eftervirkninger af 10 Hz tACS modulerer BOLD signalet under en visuel opfattelse af ternet ringe og kiler, hvilket indikerer en ændring i den neurale metabolisme af en passiv opfattelsesopgave 36 . Disse undersøgelser satte scenen for samtidige tACS-fMRI undersøgelser til at sonde funktionsmekanismer på mange niveauer, fra metabolisme til kognition. På et så tidligt stadium i brugen af tACS til translationel forskning er der stort potentiale for samtidige tACS-fMRI eksperimenter til at føje til forståelsen af både stimuleringsteknikken og oscillationsbidrag til kognitive funktioner.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Ilona Pfahlert og Britta Perl for teknisk assistance under funktionelle billeddannelsesforsøg og Severin Heumüller for fremragende computer support. Dette arbejde blev støttet af Herman og Lilly Schilling Foundation og Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (CNMPB).
None | |||
DC-Stimulator MR | NeuroConn, Ilmenau, Germany | includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications. | |
3 tesla Tim Trio MR scanner | Siemens, Erlangen, Germany | ||
presentation computer | |||
presentation software (e.g., Matlab) | The Mathworks, Natick, USA | ||
shielded LAN cable | |||
projector | InFocus Corporation, Wilsonville, USA | IN-5108 | |
Ten20 Electrode Paste | Weaver and Co., Aurora, USA | ||
EEG cap – EASYCAP 32-channel system | Brain Products GmbH, Germany | ||
tape measure | |||
marker | |||
pillows | |||
button response box | Current Designs, Philadelphia, USA | ||
isopropyl alcohol | |||
cotton pads | |||
tape | |||
MR-safe sand bags | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe mirrors | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe screen | can be built in local machine shop to fit site-specific parameters | ||
E-A-Rsoft ear plugs | 3M, Bracknell, UK |