השימוש בספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית ככלי למדידה של השפעות דו חצי מוח Transcranial חשמלי גירוי על יסודי Motor Cortex מטבוליזם

Summary

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (¹H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

Abstract

גירוי Transcranial הישיר הנוכחי (tDCS) הוא טכניקת neuromodulation כי נעשתה שימוש יותר ויותר בעשור האחרון בטיפול בהפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות כגון שבץ ודיכאון. עם זאת, המנגנונים העומדים בבסיס יכולתה לווסת את רגישות מוח לשיפור תסמינים קליניים נשאר הבינו היטב ^33. כדי לשפר את ההבנה זו, ספקטרוסקופיה פרוטון תהודה המגנטית ⁽¹ H-MRS) יכולה לשמש כפי שהוא מאפשר כימות vivo של מטבוליטים מוח כגון חומצת γ-aminobutyric (GABA) וגלוטמט באופן ספציפי לאזור ^41. למעשה, מחקר שנערך לאחרונה הראה כי ¹ H-MRS הוא אכן אמצעי רב עוצמה כדי להבין טוב יותר את ההשפעות של tDCS בריכוז מוליך עצבי ^34. מטרת מאמר זה הוא לתאר את הפרוטוקול המלא לשילוב tDCS (ממריץ תואם NeuroConn MR) עם ¹ H-MRS ב -3 T באמצעות seq MEGA-PRESSהשפעה. נתאר את ההשפעה של פרוטוקול שהראה הבטחה גדולה לטיפול בליקויים מוטוריים לאחר שבץ, אשר מורכב מגירוי דו-צדדי של קליפת מוח מוטורי הראשוני ^27,30,31. גורמים מתודולוגיים לשקול ושינויים אפשריים לפרוטוקול הם דנו גם.

Introduction

הרעיון של החלת חשמל למוח האנושי כדי לווסת את פעילותו נחקר מאז ימי קדם. למעשה, כתבים ממוקדם ככל המאה ^ה -11 נמצאו שמתארים את השימוש בדגים חשמליים הטורפדו בטיפול בהתקפים אפילפטיים ^1. ובכל זאת, זה לא עד לאחרונה כי גירוי המוח לא פולשני זכה לעניין נרחב בקהילה המדעית כפי שהוצג כדי ליצור אפקטי ויסות על תפקוד הקוגניטיבי ותגובה מוטורית ^2. בעוד גירוי המגנטי transcranial (TMS), נחקר בהרחבה מאז תחילת 1980 ^3, הריבית האחרונה בגירוי הנוכחי ישיר transcranial (tDCS) גדלה כפי שהוא נתפס כיום כאפשרות טיפול מעשית עבור מגוון רחב של neuropathologies, כגון שבץ ^4, התמכרות לאלכוהול ^5, וכאב כרוני ^6. יש tDCS יתרונות רבים על פני שיטות גירוי עצביות כמו TMS, למשל,שכן הוא זול יחסית, ללא כאבים, נסבל היטב על ידי חולים, ונייד, וכך מאפשר לנהל ליד המיטה ^7. למעשה, רק אחוז קטן של מטופלים חווה תחושת עקצוץ קלה במהלך גירוי ^8. עם זאת, תחושה זו בדרך כלל נעלמת לאחר מספר שניות ^9. כתוצאה מכך, tDCS מאפשר מחקרי מבוקרי דמה חזקים כפולים סמיות, שכן רוב המשתתפים לא יכול להבחין גירוי מזויף מגירוי אמיתי ^9,10.

tDCS כרוך האינדוקציה של זרם חשמלי נמוך amperage קבוע (1-2 mA) מוחלת על הקורטקס באמצעות אלקטרודות משטח ממוקמות על הקרקפת של הנושא. אלקטרודות ממוקמות בדרך כלל בספוגים ספוגים מי מלח או ישירות על הקרקפת עם דבק EEG-סוג. לערוך מחקר tDCS, ארבעה פרמטרים עיקריים צריכים להיות נשלטו על ידי הנסיין: 1) זמן גירוי; 2) עוצמת הגירוי; 3) גודל אלקטרודה; ו 4) מונטאז 'אלקטרודה. בפרוטוקולים סטנדרטיים, אלקטרודה "הפעילה" ממוקמת מעל האזור של עניין תוך האלקטרודה ההתייחסות מושמת בדרך כלל על אזור supraorbital. הזרם זורם מן האנודה הטעונה חיובי לכיוון הקתודה הטעונה השלילי. ההשפעה של tDCS על קליפת המוח המוטורי ראשוני (M1) נקבעת על ידי הקוטביות של הגירוי בי anodal גירוי משפר את הרגישות של אוכלוסייה של תאי עצב וגירוי cathodal מפחית לו ^11. שלא כמו TMS, הנוכחי המושרה אינו מספיק כדי לייצר פוטנציאל פעולה בתאי עצב בקליפת המוח. השינויים ברגישות קליפת המוח הם האמינו להיות עקב האפנון של הסף העצבי הקרום מוביל לאו hyperpolarization של פוטנציאלי הממברנה או סיוע של שלילת קוטביות של תאי עצב בהתאם לכיוון הזרימה הנוכחית ^8,11. משך שינויי הרגישות יכול להימשך עד 90 דקות לאחר הקיזוזשל גירוי, בהתאם למשך גירוי ^11,12.

שיקום tDCS ומוטורי

M1 כבר נעשה שימוש נרחב כמטרה של גירוי שכן שינויי רגישות שהושרו על ידי tDCS ניתן לכמת באמצעות מנוע פוטנציאלים מעורר (חברי הפרלמנט האירופי) הנגרמים על ידי הדופק יחיד TMS ^3. מחקרים מוקדמים מראים את האפשרות של מדידת שינויי רגישות קוטביות ספציפית הנגרמים על ידי tDCS השתמשו M1 כמטרה של גירוי ^11,12. מאז, M1 נשאר אחד היעדים העיקריים של tDCS במחקרים שכלל שני אוכלוסיות קליניות ונבדקים בריאים בגלל חשיבותו בתפקוד מוטורי, יצירת זיכרון, ואיחוד של מיומנויות מוטוריות ^12.

המוח מסתמך על יחסי גומלין מורכבים בין האזורים המוטוריים של שני ההמיספרות לבצע תנועה ^14. כאשר אזור אחד ניזוק, לאחר שסבל משבץ למשל, הביןאינטראקציות של חצי מוח משתנות. מחקרים על גמישות מוחית הראו כי האזורים המוטוריים של המוח להסתגל לשינוי הזה בדרכים שונות ^15. ראשית, האזורים שלמים, המקיפים את האזור הפגוע יכולים להיות overactived, שהובילו לעיכוב של האזור הפגוע – תהליך הנקרא עיכוב תוך חצאים מוח. שנית, האזור הומולוגי של האזור הפגוע יכול להיות overactivated ולהפעיל עיכוב בחצי הכדור הפצוע – תהליך הנקרא עיכוב בין חצאים מוח. M1 המושפע ולכן יכול להיענש פעמיים: תחילה על ידי הנגע והשני על ידי העיכוב מגיע משני M1 לא הושפע, והאזור שמסביב של M1 המושפע ^16. מחקר שנערך לאחרונה הראה כי הגדיל את רגישות בחצי הכדור מושפע קשורה לשיקום איטי ^17, אשר תואר כתחרות בין חצי מוח הסתגלות ^18.

הבנת הפלסטיות שהתרחשה לאחרשבץ עלול להוביל לפיתוח פרוטוקולי neuromodulation שיכולה להחזיר את אינטראקציות המיספרי ^19. שלושה טיפולי tDCS עיקריים הוצעו בחולים עם ליקויים מוטוריים לאחר השבץ ^20,21. הטיפול הראשון נועד להפעיל מחדש את קליפת המוח המוטורי נפגע על ידי גירוי חד צדדי anodal (א-tDCS). במקרה זה, גירוי מטרה ישירות הגברת פעילות באזורי perilesional, שהם האמינו להיות חיוניים להחלמה. למעשה, מחקרים הראו שיפור של הגפה העליונה או תחתונה המשותקת לאחר טיפול זה ^22-26. הטיפול השני פותח במטרה לצמצם את-הפעלת יתר של חצי הכדור contralesional על ידי יישום tDCS cathodal חד-צדדי (c-tDCS) מעל M1 שלם. כאן, גירוי מטרה בעקיפין הגדלת פעילות באזורי perilesional דרך אינטראקציות interhemispehric. תוצאות ממחקרים אלה הראו שיפור של functi מנועעל לאחר כ-tDCS ^4,27-29. לבסוף, הטיפול השלישי שמטרתו שילוב ההשפעות המעוררות של-tDCS מעל M1 הפצוע עם ההשפעות המעכבות של c-tDCS מעל M1 מושפע באמצעות tDCS הדו-צדדי. תוצאות מצביעות על שיפור בתפקוד מוטורי לאחר tDCS דו-צדדי ^27,30,31. יתר על כן, מחקר אחד הראה שיפור גדול יותר הבא tDCS הדו-צדדי בהשוואה לשתי שיטות חד-צדדיות ^32.

פיסיולוגי מנגנוני tDCS

למרות השימוש הגובר של tDCS בטיפול בשבץ מוחי, המנגנון הפיזיולוגי שבסיס השפעותיו עדיין לא ידועים ^33. הבנה טובה יותר של ההשפעות הפיזיולוגיות יכולה לעזור לפתח אפשרויות טיפול טובות יותר ועלולה להוביל לפרוטוקולים סטנדרטיים. כפי שהוזכר קודם לכן, את ההשפעות של tDCS יכולות להימשך עד 90 דקות לאחר הקיזוז של גירוי ^11,12. לכן, hyperpolarization / שלילת קוטביותתהליכים לא יכולים להסביר לגמרי את ההשפעות ארוכות טווח ^33,34. השערות שונות הוצעו בנוגע למנגנון הפיזיולוגי הבסיסי tDCS לאחר לוואי על M1 לרבות שינויים בשחרור הנוירוטרנסמיטר, סינתזת חלבון, פונקצית ערוץ יון, או פעילות קולטן ^34,35. תובנות בעניין זה נרכשו תחילה דרך מחקרים פרמקולוגיים הראו דיכוי של אחרי ההשפעות של anodal וגירוי cathodal על רגישות M1 על ידי החומר שממשמש glutamatergic N-methyl-D-aspartate אנטגוניסט לרצפטור (NMDA) ^36,37 ואילו ההשפעה ההפוכה הוצגה באמצעות אגוניסט הקולטן NMDA ^38. קולטני ה- NMDA הם חשבו להיות מעורבים בתפקוד למידה וזיכרון באמצעות הגברה ארוכה טווח (LTP) ודיכאון לטווח ארוך (בע"מ), שניהם בתיווכו של glutamatergic ונוירונים GABAergic ^39,40. מחקרים בבעלי חיים בקנה אחד עם השערה זו כפי שהם הראו ש- tDCS גורם ¹³ LTP.

<p class = "jove_content"> למרות ההתקדמות החשובה שנעשתה בהבנה של מנגנוני פעולה שבבסיס תופעות tDCS, פרוטוקולים תרופתיים מגבלות חשובות הווה שלנו. ואכן, פעולת תרופה לא יכולה להיות כמו במרחב ספציפי כtDCS, במיוחד בהקשר של ניסויים בבני אדם, ומנגנון פעולה של ההשפעות שלהם הוא בעיקר בשל קולטנים פוסט-סינפטי ^34. לכן, יש צורך לחקור בצורה ישירה יותר את ההשפעות של tDCS על המוח האנושי. ספקטרוסקופיה פרוטון התהודה מגנטית ⁽¹ H-MRS) היא מועמד טוב שכן היא מאפשרת לא פולשנית באיתור vivo של ריכוזים של נוירוטרנסמיטרים באזור מסוים של עניין. שיטה זו מבוססת על העיקרון שלכל neurochemical המכיל פרוטון במוח מבנה מולקולרי ספציפי וכתוצאה מכך, מייצרת תהודה כימית ספציפית שיכול להיות מזוהה על ידי ¹ H-MRS ^41. האות נרכשה משל נפח המוח של בההתעניינות נוצרה מכל הפרוטונים שמהדהדים בין עמודים לדקה 1 ו -5. Neurochemicals רכשה מיוצגת על ספקטרום ולהתוות כפונקציה של ההיסט הכימי שלהם עם כמה פסגות באופן ברור להבחנה, אבל איפה תהודות רבות מneurochemicals השונות חופפות. עוצמת האות של כל שיא היא פרופורציונלית לריכוז של neurometabolite ^41. כמות neurochemicals שניתן לכמת תלויה בעוצמת השדה המגנטי ^42,43. עם זאת, מטבוליטים ריכוז נמוך, אשר מוסתרים על ידי תהודה מאוד חזקה, קשה לכמת בעוצמת שדה נמוכה כגון 3 ט דרך אחת לקבל מידע על אותות חופפים כזה הוא להסיר את התהודות חזקות באמצעות עריכת רפאים. אחת טכניקות אלו הוא רצף MEGA-PRESS, המאפשר זיהוי של חומצת γ-aminobutyric אותות (GABA) ^44,45.

רק מעט מאוד מחקרים שבחנו את ההשפעה של tDCS בחילוף חומרים במוח באמצעות ¹ H-MRS באזורים מוטוריים ^34,46 ולא מנועי ^47. Stagg ומשתפי פעולה ³⁴ העריכו את ההשפעות של-tDCS, ג-tDCS, וגירוי מזויף על חילוף חומרים M1. הם מצאו ירידה משמעותית בריכוז GABA הבא-tDCS, והפחתה משמעותית של גלוטמט + גלוטמין (GLX) וGABA הבא c-tDCS. במחקר אחר, דווח כי הסכום של שינויים בריכוז GABA הנגרמים על ידי-tDCS מעל M1 היה קשור ללמידה מוטורית ^46.

מחקרים אלה מדגישים את הפוטנציאל של שילוב ¹ H-MRS עם tDCS להגביר את ההבנה של המנגנון הפיזיולוגי העומד בבסיס השפעת tDCS על תפקוד מוטורי שלנו. בנוסף, השימוש בפרוטוקולים קליניים כגון-tDCS ו- c-tDCS מעל M1 הוא שימושי משום שההשפעות ההתנהגותיות שלהם הן גם למדו ויכולות להיות קשורות ישירות לתוצאות פיסיולוגיות. לכן, פרוטוקול סטנדרטי לשילוב TDC הדו-צדדיS ו ¹ H-MRS בא לידי ביטוי במשתתפים בריאים באמצעות מערכת של 3 T MRI. Bihemispheric tDCS מוצג להשוות נתונים עם מחקר MRS קודם בי cathodal חד-צדדי או חד-צדדי tDCS anodal יושמו על הקורטקס מוטורי ^34. הפרוטוקול מתואר במפורש לגירוי עם ממריץ NeuroConn בסורק T סימנס 3 ביצוע MEGA-PRESS ¹ H-MRS.

Protocol

המחקר אושר על ידי לוחות האתיקה המחקר וקהילה של להתאחד דה Neuroimagerie Fonctionnelle ואוניברסיטת מונטריאול ונעשה בעמידה בקוד אתי כאמור בהצהרת הלסינקי. כל הנבדקים נתנו סכמה בכתב הודיעה הבאים סינון קפדני לתאימות MRI וקבלו פיצוי מבחינה כלכלית עבור השתתפותם. <p class="jove_title" style=";text-align:…

Representative Results

איור 6 מציג את העמדה של VOI ממוקמת על הייצוג של יד בM1 שבו כל אמצעי MRS נלקחו. באיור 6 ד, הדמיית 3D מציגה הצגה ברורה של אלקטרודות tDCS ממוקמות על הקרקפת מעל הקורטקס המוטורי הראשוני המשוערת. איור 7 נציג מופעים "הערוך OFF" והבדל ספקטרום ("בדיקת הבד…

Discussion

העבודה הנוכחית נועדה לתאר פרוטוקול סטנדרטי לtDCS שילוב ^ו1 H-MRS באמצעות סורק 3 T. בחלק הבא, גורמים מתודולוגיים יידונו.

שלבים קריטיים
הקרנת התוויות נגד
קודם לניסוי, הוא חיוני למשתתפי מסך לכל תוויות נגד בנוגע ?…

Materials

DC-stimulator plus	NeuroConn	30DCS01E	MR compatible device
NuPrep preparation gel	Weaver and Co.	#10-61
Ten20 conductive paste	Weaver and Co.	#10-20-4
Electrode prepping pad	Grass technologies	MD0017	70% isopropyl alcohol and pumice
Saline solution	Local drugstore sample		0.9% sodium chloride
Non permanent hydro-marker	Sharpie	SHPE20WH
SYNGO MR VB17	Siemens AG		MRI software
MAGNETOM Trio A Tim System	Siemens AG		MRI scanner version
Matlab 2013a (Version 8.1)	MathWorks Inc		processing and analysis software
LCModel 6.3	LC MODEL inc		see: s-provencher.com
FASTESTMAP	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		shimming sequence
MEGA-PRESS	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		MRS sequence