La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une étude non invasive des oscillations cérébrales, bien que ses effets ne soient pas complètement compris. Cet article décrit une configuration sûre et fiable pour l'application de TACS simultanément avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ce qui peut augmenter la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire et des effets des TACS.
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est un outil prometteur pour une investigation non invasive des oscillations cérébrales. Le TACS utilise une stimulation spécifique de la fréquence du cerveau humain par le courant appliqué au cuir chevelu avec des électrodes de surface. La connaissance la plus récente de la technique est basée sur des études comportementales; Ainsi, la combinaison de la méthode avec imagerie cérébrale permet de mieux comprendre les mécanismes des TACS. En raison des artefacts électriques et de susceptibilité, la combinaison de TACS avec l'imagerie cérébrale peut être difficile, cependant, une technique d'imagerie cérébrale qui convient parfaitement pour être appliquée simultanément avec le TACS est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF). Dans notre laboratoire, nous avons combiné les TACS avec des mesures simultanées de fMRI pour montrer que les effets de TACS sont dépendants de l'état, du courant et de la fréquence, et que la modulation de l'activité cérébrale n'est pas limitée à la zone située directement sous les électrodes. Cet article décrit un ensemble sûr et fiablePour appliquer des TACS simultanément avec des études de travail visuel fMRI, qui peuvent prêter à la compréhension de la fonction cérébrale oscillatoire ainsi que les effets des TACS sur le cerveau.
La stimulation du courant alternatif transcrânien (TACS) est une technique de stimulation cérébrale non invasive prometteuse pour étudier les oscillations neuronales et les fonctions cérébrales spécifiques à la fréquence chez les individus en bonne santé, ainsi que pour étudier et moduler les oscillations dans les populations cliniques 1 . En utilisant deux électrodes conductrices ou plus placées sur le cuir chevelu, des ondes sinusoïdales de courant faible (1-2 mA de pointe à crête) sont appliquées au cerveau à une fréquence souhaitée pour interagir avec les oscillations neuronales en cours. Les études TACS ont mesuré des modulations comportementales ou cognitives spécifiques à la fréquence et à la tâche, y compris, mais sans s'y limiter, la fonction motrice 2 , la mémoire de travail 3 , la somatosensation 4 et la perception visuelle 5 , 6 , 7 . L'application d'un courant alternatif de manière non invasive a également entraîné une fonctionnelleAmélioration des patients neurologiques, comme la réduction du tremblement dans la maladie de Parkinson 8 , l'amélioration de la vision dans la neuropathie optique 9 et l'amélioration du taux de relance vocale, sensorielle et motrice après l'AVC 10 . Malgré un nombre croissant d'études utilisant des TACS pour la recherche et la preuve de son potentiel thérapeutique dans des contextes cliniques, les effets de cette technique ne sont pas complètement caractérisés et leurs mécanismes ne sont pas complètement compris.
Les simulations et les études sur les animaux peuvent donner un aperçu des effets de la stimulation à courant alternatif au niveau du réseau cellulaire ou neuronal dans des conditions contrôlées 11 , 12 , mais compte tenu de l'état de dépendance des techniques de stimulation efficaces 13 , 14 , ces études ne révèlent pas l'image entière . Combinaison de TACS avec des techniques de neuroimagerieComme l'électroencéphalographie (EEG) 15 , 16 , 17 , la magnétoencephalographie (MEG) 18 , 19 , 20 , ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 peuvent informer sur la modulation au niveau des systèmes de la fonction cérébrale. Cependant, chaque combinaison comporte des défis technologiques, principalement en raison des artefacts induits par stimulation dans la mesure des fréquences d'intérêt 15 . Bien que la résolution temporelle de l'IRMF ne puisse pas correspondre aux mesures EEG ou MEG, sa couverture spatiale et sa résolution dans les régions corticales et sous-corticales du cerveau sont supérieures.
Récemment, dans une étude tACS-fMRI combinée, nous avons montré que les effets des tACS sur le niveau d'oxygénation du sang dLe signal épuisé (BOLD) mesuré avec l'IRFF est à la fois spécifique à la fréquence et à la tâche, et que la stimulation n'exerce pas nécessairement son plus grand effet directement sous les électrodes, mais dans des régions plus éloignées des électrodes 22 . Dans une étude suivante, nous avons étudié l'effet de la position et de la fréquence de l'électrode TACS sur la fonction du réseau en utilisant l'amplitude des fluctuations de basse fréquence et de la connectivité fonctionnelle de l'état de repos, y compris l'utilisation de graines de corrélation des régions les plus directement stimulées, dérivées de la densité de courant Des simulations. Plus particulièrement dans cette étude, la stimulation alpha (10 Hz) et gamma (40 Hz) a souvent suscité des effets opposés dans la connectivité réseau ou sur la modulation régionale 23 . De plus, le réseau d'état de repos qui a été le plus affecté était le réseau de contrôle fronto-pariétal gauche. Ces études mettent en évidence le potentiel d'utilisation de l'IRFF pour déterminer les paramètres optimaux pour une st efficace et contrôléeMulation. En outre, ils contribuent à prouver que, en dehors des paramètres contrôlés, tels que l'état et le moment de la tâche, la fréquence de stimulation et les positions des électrodes, il existe des facteurs spécifiques à la matière qui influent sur le succès des TACS. Des exemples de caractéristiques de sujet qui se traduisent en variables incontrôlables dans l'optimisation des paramètres de stimulation sont la connectivité fonctionnelle intrinsèque, la fréquence de pointe de l'oscillation endogène ( par exemple , la fréquence alpha individuelle) et l'épaisseur du crâne et de la peau 25 . Compte tenu de la littérature actuelle relative aux TACS, d'autres études combinant des TACS avec des mesures neurales telles que la neuroimagerie sont nécessaires pour établir des procédures complètes pour des techniques efficaces de stimulation cérébrale.
Nous décrivons ici une configuration sûre et fiable pour les expériences appliquant des tACS simultanément avec l'IRMF d'une tâche visuelle, en mettant l'accent sur les aspects de la configuration et de l'exécution qui produisent un TAC synchronisé avec succèsS avec l'acquisition sans artifices de données fMRI.
Ici, nous avons décrit la procédure pour une configuration et une exécution simultanées de l'expérience TACS-fMRI à l'aide d'un système TACS compatible MR. Certaines étapes de cette procédure nécessitent une attention particulière, en particulier en ce qui concerne la configuration du sujet. Le stimulateur et la configuration compatibles avec MR utilisés dans cette expérience ont une impédance minimale d'environ 12 kΩ avec les câbles, les boîtes de filtre et les électrodes uniquement, et le fabricant recommande une impédance minimale de 20 kΩ avec des électrodes connectées au sujet; Cette exigence dépend du produit stimulant et du fabricant. Lors de l'application d'électrodes sur le sujet, si l'impédance est trop élevée, certaines mesures peuvent être prises pour réduire cette valeur en dehors de presser les électrodes. Par exemple, il peut être plus facile de couvrir d'abord les emplacements marqués et nettoyés sur le cuir chevelu avec un gel d'électrode, y compris les cheveux, avant de presser l'électrode sur le cuir chevelu. Cela assurera l'étalement du courant sur le matériau non conducteur; cependant,Veillez à limiter la couverture du gel d'électrode à approximativement la même surface que les électrodes pour diriger le courant vers la région de stimulation souhaitée. Faites attention à cela si les électrodes sont proches les unes des autres, car la dérivation actuelle entre les électrodes peut se produire à travers un contact excessif en gel d'électrode. Si l'électrode est à l'arrière de la tête où le sujet sera posé directement sur elle, il faut prendre soin de placer les oreillers derrière la tête de manière à ce que le sujet ne devienne pas mal à l'aise au fur et à mesure que l'expérience se poursuit; Cette gêne peut ne pas être un problème initialement pour le sujet, mais l'expérience montre que la douleur surgit et augmente avec le temps. En outre, comme pour toutes les expériences de l'IRMF, le sujet de la motion présente des problèmes problématiques, il est donc important que le sujet soit à l'aise avec tous les câbles et les électrodes en place.
L'aspect le plus important de l'installation à considérer est le bruit potentiellement introduit dansÀ l'environnement MR qui peut induire des artefacts et des distorsions d'image. Avant l'expérience, il est prudent de tester les artefacts d'image avec l'ensemble de la configuration du TACS en place. Un fantôme sphérique normal peut être utilisé, sécurisant les électrodes avec un gel d'électrode. Il est important de fournir un moyen pour que le courant se déplace entre les électrodes, ce qui peut être réalisé en appliquant une quantité généreuse de gel d'électrode dans un chemin d'une électrode à l'autre. Exécutez toute l'expérience, comme prévu pour le sujet, y compris les variations de paramètres telles que la fréquence et le courant. Au cours de la session de balayage, le réglage du contraste et de la fenêtrage à des extrêmes dans la visionneuse d'image sur l'ordinateur de contrôle du scanner MR permet une détection visuelle plus facile du bruit. Lors de la surveillance visuelle du bruit avant et pendant l'expérience, du bruit peut apparaître comme des pointes dans l'image avec une intensité élevée, des motifs où le signal ne doit pas être mesuré ou une intensité variable dans le temps, comme exemples. Acquérir des données fMRI avec l'excitation radiofréquenceN l'impulsion désactivée donne des informations sur le bruit de l'environnement du scanner lors de la numérisation sans acquérir le signal d'image réel (voir Figure 2 ). Ce test de bruit peut être effectué dans chaque session de numérisation. S'il y a des variations dans le bruit, vérifiez que tous les câbles sont intacts et bien connectés au stimulateur, aux électrodes et aux boîtes de filtre. Aucun câble ne devrait être placé dans les boucles. Le bruit ou la distorsion peuvent résulter de câbles brisés, d'électrodes avec des contaminants métalliques dans le caoutchouc (malgré leur compatibilité MR) et des connexions défectueuses, entre autres possibilités. Le stimulateur est alimenté par batterie pour minimiser les bruits électriques dans la configuration; Assurez-vous qu'il est complètement chargé avant chaque expérience et qu'il reste allumé et connecté tout au long de l'expérience. TSNR dans les images fonctionnelles diminueront autour de 5% avec le stimulateur connecté, cependant, les valeurs devraient être stables dans les conditions de stimulation 22 . Stimulation électrique transcrânienne simultanée – tests fMRI oN les cadavres ont montré qu'il n'y avait pas d'artefacts associés à une stimulation en courant alternatif, ce qui est un avantage par rapport à la stimulation à courant continu 30 . Théoriquement, ce manque d'artefacts peut s'expliquer par un courant net de zéro au moment de l'acquisition de l'image 30 . Toutefois, pour certaines des expériences menées dans notre laboratoire, le temps d'acquisition ou TR n'est pas un multiple de la fréquence de stimulation. Après avoir effectué les tests de bruit mentionnés dans ce protocole et en examinant les images pour les artefacts, qui n'étaient pas visibles, nous avons conclu que toute différence dans le courant net de zéro est faible et trop négligeable pour induire des artefacts.
Un autre point critique pour les expériences réussies est que l'ordinateur de présentation reçoit la sortie de déclenchement du scanner et que le stimulateur reçoit la gâchette de l'ordinateur de présentation. Avant l'expérience, programmez la conception et le moment de stimulation visuelle à l'aide deLe logiciel souhaité. Ce programme doit utiliser des déclencheurs pour synchroniser la présentation de stimulation visuelle avec le scanner MR et le stimulateur; Il démarre avec un déclencheur sorti du scanner MR et envoie également des déclencheurs de sortie au stimulateur aux moments de stimulation souhaités. Un moyen simple de vérifier la communication du déclencheur pendant l'installation est d'utiliser un oscilloscope attaché avec un câble BNC à la sortie de déclenchement du scanner ainsi que la sortie de l'ordinateur de présentation. Dans notre configuration, le scanner MR émet un déclencheur (bascule) pour chaque volume fonctionnel acquis, et l'ordinateur de présentation délivre un signal tel que programmé dans le logiciel de présentation. L'analyse d'une expérience bien conçue repose de manière critique sur une stimulation correctement programmée.
Certaines étapes de cette expérience peuvent être adaptées si nécessaire aux exigences de réglage du laboratoire. Par exemple, cette configuration décrit l'utilisation d'un projecteur et de miroirs pour la présentation de stimulation visuelle, mais le stimulus visuelLe périphérique de sortie peut être des lunettes d'affichage à cristaux liquides MR-safe ou un moniteur MR-safe, choisi en fonction de l'expérience et des préférences ou limitations de laboratoire. En outre, les paramètres de l'IRM doivent être adaptés à l'expérience. Il est intéressant de noter que l'on devrait accorder une attention particulière au choix approprié du contrôle expérimental pour les TACS, même si une réponse directe n'existe pas. Une courte stimulation simulée de 30 secondes peut imiter la somatosensation induite par les TACS qui diminue éventuellement avec une stimulation prolongée; Cependant, certaines études montrent que même de courtes périodes de stimulation peuvent induire un entraînement oscillant 12 . Un autre contrôle possible qui peut être utilisé pour le TACS est de stimuler l'utilisation d'une fréquence non efficace ou, en d'autres termes, d'une fréquence différente de celle d'intérêt. L'exception ici serait que la somatosensation et la perception du phosphène varient selon la fréquence de stimulation 31 . Enfin, en ce qui concerne les expériences subjectives de stimLes phosphènes induits par les TACS varient selon les individus, afin de mieux capter la variabilité du sujet, envisager d'utiliser un système de notation détaillé pour la perception du phosphène et passer du temps avec le sujet décrivant les diverses caractéristiques des phosphènes ( p. Ex . Emplacement, intensité) qui Peut surgir pour que le sujet puisse évaluer attentivement son expérience pendant la stimulation 32 , 33 .
Les résultats représentatifs indiqués ici suggèrent que les effets de TACS dépendent actuellement de la fréquence, dépendent de la fréquence et que la modulation n'est pas limitée aux régions situées sous les électrodes, mais s'étend à des régions éloignées et susceptibles d'être connectées fonctionnellement. Une limitation de cette technique est la résolution temporelle de l'IRMf ainsi que de la réponse BOLD. L'acquisition de données et la réponse hémodynamique ne sont pas aussi rapides que la fréquence de stimulation ou l'activité électrique du cerveau, donc les interactions directes avec la fréquenceLes effets spécifiques des tACS ne peuvent être mesurés. Cependant, étant donné que la plus grande partie de la littérature scientifique des effets de TACS est une étude comportementale, et que le TACS affecte évidemment un système neuronal complet et compliqué, il est clair que les expériences tACS-fMRI simultanées ont beaucoup à offrir pour nous informer des effets de TACS dans le cerveau. EEG et MEG offrent des idées sur le niveau des résolutions temporelles qui correspondent à celles de l'activité neuronale. Cependant, EEG et MEG souffrent de résolution spatiale et de limites de profondeur corticale ou de techniques de reconstruction de sources intensives de calcul. La fréquence de stimulation et les artefacts harmoniques qui remplacent les signaux cérébrales d'intérêt enregistrés aux mêmes fréquences compliquent encore les analyses EEG et MEG. Des solutions de rechange innovantes ont été appliquées pour relever certains de ces défis. Helfrich et al. A utilisé une nouvelle technique pour éliminer l'artefact de TACS des données EEG en utilisant une soustraction de modèle d'artefact et une analyse de composant de principe 15 </sHaut>. Ils ont montré que le TACS de 10 Hz appliqué parieto-occipitally augmente l'activité alpha dans les cortices pariétales et occipitales et induit une synchronisation dans les oscillateurs corticaux fonctionnant à des fréquences intrinsèques similaires. Witkowski et ses collègues ont appliqué des TACS modulés en amplitude et créés avec succès des cartes corticales à base de MEG des oscillations cérébrales entraînées 34 . Dans le but d'appliquer les TACS dans la recherche pour mieux comprendre la fonction normale et anormale du cerveau, et finalement cliniquement pour le diagnostic ou la thérapeutique, les TACS devraient être combinés séparément avec l'EEG, le MEG et l'IRMF pour établir de manière complémentaire les meilleures pratiques pour les effets désirés spécifiques qui peuvent être adaptés Spécifiquement aux individus. Lorsque de telles pratiques sont établies, des enquêtes efficaces peuvent être réalisées pour mieux comprendre la fonction des oscillations neuronales ( par exemple , définir clairement les rôles fonctionnels et les relations de différentes bandes de fréquences) et leur modulation avec les TACS (Par exemple, si le mécanisme se produit par des entraînements ou des changements plastiques 35 ).
Compte tenu des orientations futures, la configuration décrite ici est adaptée aux expériences d'IRMF qui étudient la perception ou la cognition, car l'étude structure-de-mouvement décrite ici et d'autres l'ont démontré. Cabral-Calderin et ses collègues ont montré que l'activation dans les régions du cortex occipital dépendait de la tâche et de la fréquence des tACS dans une expérience de surveillance vidéo et de doigt 22 . Dans une étude simultanée sur l'IRFF à l'état de repos de TACS, Cabral-Calderin et ses collègues ont montré des effets dépendants de la fréquence des tACS sur la connectivité fonctionnelle intrinsèque et les réseaux d'état de repos 23 . Vosskuhl et al . Les tACS combinés et l'IRMF montrent BOLD diminuer lors d'une tâche de vigilance visuelle à la stimulation par fréquence alpha individuelle 24 . Alekseichuk et ses collègues ont montré que les effets secondaires immédiats de 10 Hz tACS modulent le signal BOLD lors d'une perception visuelle des anneaux et des coins à damier, ce qui indique un changement dans le métabolisme neuronal d'une tâche de perception passive 36 . Ces études ont préparé les études simultanées sur les IRCT-IRMF pour sonder les mécanismes fonctionnels à de nombreux niveaux, du métabolisme à la cognition. À un stade aussi précoce de l'utilisation des TACS pour la recherche translationnelle, il existe beaucoup de potentiel pour les expériences tACS-fMRI simultanées afin d'ajouter à la compréhension à la fois de la technique de stimulation et de la contribution des oscillations aux fonctions cognitives.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Ilona Pfahlert et Britta Perl pour une assistance technique lors d'expériences d'imagerie fonctionnelle et Severin Heumüller pour un excellent support informatique. Ce travail a été soutenu par la Fondation Herman et Lilly Schilling et le Centre pour la microscopie à l'échelle nanométrique et la physiologie moléculaire du cerveau (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 |