Transcraniana direto Estimulação atual e simultânea Ressonância Magnética Funcional

Summary

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva. Tem sido utilizado com sucesso em pesquisas básicas e clínicas para modular a função cerebral em seres humanos. Este artigo descreve a implementação de ETCC e simultânea a ressonância magnética funcional (fMRI), para investigar as bases neurais dos efeitos ETCC.

Abstract

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva que utiliza correntes elétricas fracas administrados para o couro cabeludo para manipular a excitabilidade cortical e, conseqüentemente, o comportamento ea função cerebral. Na última década, vários estudos têm abordado a curto prazo e de longo prazo efeitos da ETCC em diferentes medidas de desempenho comportamental durante tarefas motoras e cognitivas, tanto em indivíduos saudáveis ​​e em um número de diferentes populações de pacientes. Até agora, no entanto, pouco se sabe sobre as bases neurais da ETCC-action em seres humanos no que diz respeito a redes cerebrais em grande escala. Esta questão pode ser abordada através da combinação de ETCC com técnicas de imagem cerebral funcionais, como a ressonância magnética funcional (fMRI) ou eletroencefalografia (EEG).

Em particular, fMRI é a técnica de imagem do cérebro mais amplamente utilizado para investigar os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras. Applicatino de ETCC durante fMRI permite a análise dos mecanismos neurais subjacentes efeitos ETCC comportamentais com alta resolução espacial em todo o cérebro. Estudos recentes utilizando esta técnica de estimulação identificado mudanças induzidas na atividade cerebral funcional relacionado com a tarefa no local de estímulo e também em regiões cerebrais mais distantes, que foram associados com melhora de comportamento. Além disso, a ETCC administrados durante descansando em estado fMRI permitiu a identificação de mudanças generalizadas na conectividade funcional do cérebro todo.

Futuros estudos utilizando este protocolo combinado deve render novos insights sobre os mecanismos de ação ETCC na saúde e na doença e novas opções de aplicação mais focalizada dos ETCC na pesquisa e na clínica. O presente manuscrito descreve esta nova técnica de forma passo-a-passo, com foco em aspectos técnicos do ETCC administrados durante fMRI.

Introduction

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é um método não invasivo de estimulação cerebral em que o funcionamento cortical é modulada por meio de uma corrente elétrica fraca (tipicamente 1-2 mA) projetada entre dois eletrodos afixados-couro cabeludo. Fisiologicamente, ETCC induz um deslocamento dependente da polaridade do potencial de repouso da membrana neuronal (PGR) no interior da região cortical alvo através da manipulação dos canais de sódio e de cálcio, promovendo assim a alterações na excitabilidade cortical ^1. Especificamente, a estimulação anódica (atDCS) foi mostrada para aumentar a atividade cortical através da despolarização neuronal PGR enquanto a estimulação catódica (ctDCS) reduz a excitabilidade cortical ^2. Em comparação com outros tipos de estimulação cerebral (por exemplo, a estimulação transcraniana magnética) de segurança foi bem estabelecida e, até agora, sem efeitos colaterais graves têm sido relatadas, mesmo em populações vulneráveis ^{​​3, 4.} Além disso, pelo menos para lointensidades de estimulação wer (até 1 mA), um placebo eficaz ("sham") condição estimulação existe ^5, permitindo mascaramento efetivo de participantes e investigadores para as condições de estimulação, tornando ETCC uma ferramenta atraente em ambientes de pesquisa experimentais e clínicos.

Numerosos estudos até agora têm mostrado que essas mudanças na excitabilidade cortical pode resultar em modulações comportamentais. No sistema motor, de polaridade efeitos dependentes consistentes foram relatados ^{1, 6} para ambos os atDCS e ctDCS. Nos estudos cognitivos, a maioria dos estudos que utilizaram atDCS para melhorar as funções cognitivas relatados efeitos benéficos sobre o desempenho ^7, enquanto ctDCS frequentemente não resultou no processamento cognitivo. O último pode ser explicado pela maior redundância de recursos de processamento neurais subjacentes cognição ^6. A maioria dos estudos ETCC empregaram projetos cross-over para estudaros efeitos imediatos da estimulação, o que durar mais que o término do atual apenas por curtos períodos de tempo ^1. No entanto, tem sido sugerido que os impactos repetidos de estimulação sobre a síntese de proteínas, ou seja, o mecanismo de captação de habilidade neural subjacente ^8. Com efeito, o motor ou o sucesso treino cognitivo pode ser aumentada quando combinado com sessões repetidas TDCs e estabilidade a longo prazo destes melhoramentos têm sido relatados para durar até vários meses em adultos saudáveis ^​​8-10. Tais achados também têm suscitado um interesse no uso da ETCC em contextos clínicos e dados preliminares sugerem que ele também pode ser útil como uma abordagem de tratamento primário ou auxiliar em várias populações clínicas ^3. No entanto, enquanto um número relativamente grande de estudos abordaram os efeitos neurofisiológicos da ETCC no sistema motor, pouco se sabe sobre os mecanismos neurais subjacentes de efeitos ETCC sobre as funções cognitivas do cérebro na saúde e na doença.Uma melhor compreensão do modo de ação do ETCC é um pré-requisito necessário para aplicações mais específicas de ETCC em pesquisa e na clínica.

Esta questão pode ser abordada através da combinação de ETCC com técnicas de imagem cerebral funcionais, como a eletroencefalografia (EEG) ou a ressonância magnética funcional (fMRI). A maioria dos estudos que investigam os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras optaram por empregar fMRI ^11. Em particular, fMRI é a técnica de imagem do cérebro mais amplamente utilizado para investigar os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras ^11. Além disso, quando combinado com a aplicação simultânea de ETCC, fMRI permite o exame dos mecanismos neurais subjacentes efeitos ETCC comportamentais com maior resolução espacial em todo o cérebro em comparação com EEG (para descrições recentes de combinado ETCC-EEG ver ¹² Schestatsky et al.). O presente manuscrito descreve ªuso e combinado de ETCC durante simultânea fMRI. Esta nova técnica tem sido utilizada com sucesso para estudar os mecanismos neurais subjacentes ETCC induzida por modulações de funções motoras e cognitivas ^13-19. No futuro, este protocolo combinado trará novos insights sobre os mecanismos de ação ETCC na saúde e na doença. Compreender o impacto da ETCC em redes neurais em larga escala, avaliada com esta técnica pode lançar as bases para uma aplicação mais focalizada dos ETCC na pesquisa e na clínica.

O manuscrito incidirá sobre as diferenças entre experimentos ETCC comportamentais eo uso combinado de ETCC durante simultânea fMRI, com uma ênfase específica sobre os requisitos de hardware, implementação da técnica, e considerações de segurança. Como exemplo, uma única sessão de ETCC administrados ao giro frontal inferior esquerdo (IFG) durante a tarefa ausente descanso do estado (RS) e fMRI durante uma tarefa de linguagem ^{14, 15} wdoente ser descrito, embora muitas outras aplicações são possíveis ^{16, 19.} Os detalhes da concepção experimental, as características dos participantes e os procedimentos de análise de dados de ressonância magnética têm sido descritos em detalhe nas publicações originais ^14,15 e estão fora do âmbito da presente manuscrito. Além disso, nesses estudos, um fMRI adicional varredura que farsa envolvidos ETCC foi adquirida e comparados com os resultados da sessão atDCS (ver "Os resultados representativos" para mais detalhes). Esta sessão foi idêntico ao descrito no presente manuscrito, excepto que a estimulação foi interrompida antes do início da sessão de varredura (ver Figura 1 para detalhes). O presente procedimento foi implementado com sucesso em um scanner de 3 Tesla Siemens Trio MRI no Centro de Berlim para Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Alemanha), e deve, em princípio, ser aplicáveis ​​a outros scanners, bem ^13.

Protocol

1. Contra-indicações e Considerações Especiais Completamente selecionar os participantes para contra-indicações de ressonância magnética (por exemplo, marca-passos, claustrofobia, etc) e exclui, se necessário. Adquirir questionários padrão em instituições clínicas ou de pesquisa que atuam scanners de ressonância magnética. Obedeça sempre os procedimentos de segurança padrão ao entrar na sala de scanner. Completamente selecionar os participantes para contra-indica…

Representative Results

MRI funcional é a técnica de imagem funcional mais utilizado para tratar os mecanismos neurais subjacentes de funções motoras ou cognitivas. Mais recentemente, RMf também tem sido utilizado para avaliar TDCs efeitos sobre a actividade cortical e conectividade. No entanto, a maioria desses estudos ETCC administrado fora do scanner e avaliados os efeitos off-line da estimulação (ou seja, administrado ETCC antes da digitalização 22, 23). Apenas alguns estudos até agora têm administrado ETCC d…

Discussion

A aplicação combinada de ETCC com simultânea fMRI mostrou potencial para elucidar as bases neurais dos efeitos imediatos da estimulação através de todo o cérebro com alta resolução espacial ^13-19. No futuro, estes estudos podem ser complementados por estudos de EEG-ETCC combinados, para explorar a resolução temporal superior da última técnica. Além disso, intrascanner estimulação permite a verificação do correto posicionamento dos eletrodos no couro cabeludo (por exemplo, o uso de i…

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