Transcranial Direct Current Stimulation og samtidig funktionel magnetisk resonans

Summary

Transcranial jævnstrøm stimulation (TDCs) er en non-invasiv brain stimulation teknik. Det har med succes været anvendt i grundforskning og kliniske miljøer til at modulere hjernens funktion hos mennesker. Denne artikel beskriver gennemførelsen af ​​TDCs og samtidig funktionel magnetisk resonans (fMRI), at undersøge neurale grundlag af TDCs effekter.

Abstract

Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) er en non-invasiv brain stimulation teknik, der bruger svage elektriske strømme administreres til hovedbunden til at manipulere kortikale ophidselse og dermed adfærd og hjernefunktion. I det sidste årti, har talrige undersøgelser rettet kortsigtede og langsigtede virkninger af TDCs på forskellige foranstaltninger af adfærdsmæssig ydeevne under motoriske og kognitive opgaver, både hos raske personer og i en række forskellige patientpopulationer. Indtil videre er der dog lidt om de neurale fundament af TDCs handling hos mennesker med hensyn til store netværk i hjernen. Dette problem kan løses ved at kombinere TDCs med funktionelle hjernescanning teknikker som funktionel magnetisk resonans (fMRI), eller electroencefalografi (EEG).

Især fMRI er den mest udbredte brain imaging teknik til at undersøge de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner. Applicatipå af TDCs løbet fMRI muliggør analyse af de neurale mekanismer bag adfærdsmæssige TDCs effekter med høj rumlig opløsning på tværs af hele hjernen. Nylige undersøgelser ved hjælp af denne teknik identificerede stimulation inducerede ændringer i opgave-relaterede funktionelle hjernens aktivitet ved stimulering stedet og også i mere fjerntliggende områder af hjernen, der var forbundet med adfærdsmæssige forbedring. Desuden TDCs administreret under hvile-state fMRI tilladt identifikation af omfattende ændringer i hele hjernen funktionelle tilslutningsmuligheder.

Fremtidige undersøgelser ved hjælp af denne kombinerede protokol bør give ny indsigt i mekanismerne i TDCs indsats på sundhed og sygdom og nye muligheder for en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske omgivelser. Den nuværende manuskript beskriver denne ny teknik i en trin-for-trin måde, med fokus på de tekniske aspekter af TDCs administreret i løbet af fMRI.

Introduction

Transkraniel jævnstrøm stimulation (TDCs) er en ikke-invasiv metode til hjernestimulation, hvor kortikale funktion moduleres ved hjælp af en svag elektrisk strøm (typisk 1-2 mA) forventes mellem to hovedbund fæstnet elektroder. Fysiologisk TDCs inducerer en polaritet-afhængig skift i neuronal potentiale hvilende membran (RMP) inden for målrettede kortikale region gennem manipulation af natrium og kalcium-kanaler, og dermed fremme ændringer i kortikal ophidselse ^1. Specifikt er anodisk stimulering (atDCS) vist sig at øge cortical aktivitet via depolarisering neuronal RMP samtidig katodisk stimulering (ctDCS) reducerer kortikal ophidselse ^2. Sammenlignet med andre former for brain stimulation (f.eks transcranial magnetisk stimulation) sikkerheden er blevet godt etableret og hidtil er blevet rapporteret nogen alvorlige bivirkninger selv i udsatte befolkningsgrupper ^{3, 4.} Også, i det mindste lower stimulation intensiteter (op til 1 mA), en effektiv placebo ("fingeret") stimulation tilstand eksisterer ^5, hvilket giver en effektiv blinding af deltagere og efterforskere til stimulation betingelser, rendering TDCs et attraktivt redskab i eksperimentelle og kliniske forskningsmiljøer.

Talrige undersøgelser har hidtil vist, at disse ændringer i kortikal ophidselse kan resultere i adfærdsmæssige modulationer. I det motoriske system, har konsistente polaritet afhængige virkninger blevet rapporteret ^{1, 6} for både atDCS og ctDCS. I kognitive undersøgelser, at størstedelen af undersøgelser, der er ansat atDCS at forbedre kognitive funktioner rapporteret gavnlige virkninger på præstation ^7, mens ctDCS ofte ikke føre til svækket kognitiv behandling. Sidstnævnte kan forklares ved den større redundans af neurale behandlingsressourcer underliggende kognition ^6. Størstedelen af ​​TDCs studier har beskæftiget cross-over design til at studerede umiddelbare virkninger af den stimulation, der Outlast ophør af den nuværende kun i korte perioder ^1. Imidlertid er det blevet foreslået, at gentagen stimulation virkninger på proteinsyntese, dvs neurale mekanisme underliggende erhvervelse dygtighed ^8. Faktisk kan motor eller kognitiv træning succes forstærkes, når det kombineres med gentagne TDCs sessioner og langsigtet stabilitet af disse forbedringer er blevet rapporteret at vare op til flere måneder i raske voksne ^8-10. Sådanne fund har også udløst en interesse i brugen af TDCs i kliniske sammenhænge og foreløbig data tyder på, at det også kan være nyttig som en primær eller supplerende behandling tilgang i forskellige kliniske populationer ^3. Men mens et relativt stort antal undersøgelser rettet neurofysiologiske effekter af TDCs i det motoriske system, lidt er kendt om de underliggende neurale mekanismer TDCs effekter på kognitive hjernefunktioner i sundhed og sygdom.En bedre forståelse af virkningsmekanismen af ​​TDCs er en nødvendig forudsætning for en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske indstillinger.

Dette problem kan løses ved at kombinere TDCs med funktionelle hjernescanning teknikker som electroencefalografi (EEG) eller funktionel magnetisk resonans (fMRI). Hovedparten af studier, der undersøger de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner har valgt at ansætte fMRI ^11. Især fMRI er den mest udbredte brain imaging teknik til at undersøge de neurale mekanismer, der ligger kognition og motoriske funktioner ^11.. Desuden, når kombineret med samtidig anvendelse af TDCs, fMRI tillader undersøgelse af de neurale mekanismer bag adfærdsmæssige TDCs effekter med højere rumlig opløsning over hele hjernen i forhold til EEG (for nyere beskrivelser kombineret TDCs-EEG se Schestatsky et al. ^12). Den foreliggende manuskript beskriver the kombineret brug af TDCs under samtidig fMRI. Denne roman teknik har med succes været brugt til at studere de neurale mekanismer, der ligger TDCs-inducerede modulationer motoriske og kognitive funktioner ^13-19. I fremtiden vil denne kombinerede protokol give ny indsigt i mekanismerne i TDCs indsats på sundhed og sygdom. Forstå konsekvenserne af TDCs på store neurale netværk som vurderet med denne teknik kan lægge grunden til en mere målrettet anvendelse af TDCs i forskning og kliniske omgivelser.

Manuskriptet vil fokusere på forskelle mellem adfærdsmæssige TDCs eksperimenter og kombineret anvendelse af TDCs under samtidig fMRI, med særlig vægt på krav til hardware, implementering af teknikken, og sikkerhedsmæssige overvejelser. Som et eksempel, en enkelt session af TDCs administreret til venstre ringere frontal gyrus (IFG) under opgave-fraværende hvile-state (RS) fMRI og under et sprog opgave ^{14, 15} wsyg beskrives, selvom mange andre applikationer er mulige ^{16, 19.} Nærmere oplysninger om forsøgets udformning og deltager egenskaber og fMRI dataanalyse procedurer er blevet beskrevet i detaljer i de oprindelige publikationer ^14,15 og er uden for rammerne af det nuværende manuskript. Desuden er i disse undersøgelser, en ekstra fMRI scanning, der er involveret humbug TDCs blev erhvervet og sammenlignet med resultaterne af atDCS session (se "Repræsentative resultater" for detaljer). Denne session var identisk med den, der er beskrevet i den foreliggende manuskript, bortset fra at stimulering blev afbrudt før begyndelsen af skanning (se figur 1 for detaljer). Den nuværende procedure er blevet gennemført med succes på en 3-Tesla Siemens Trio MR scanner på Berlin Center for Avanceret billedbehandling (Charité University Medicine, Berlin, Tyskland), og i princippet bør være gældende for andre scannere samt ^13.

Protocol

1. Kontraindikationer og Særlige overvejelser Screene grundigt deltagerne til MRI kontraindikationer (f.eks pacemakere, klaustrofobi osv.) og udelukke evt. Anskaf standard spørgeskemaer ved kliniske eller forskningsinstitutioner, der opererer MRI-scannere. Adlyde Altid standard sikkerhedsprocedurer, når ind i scanneren værelse. Screene grundigt deltagerne til kontraindikationer for TDCs. Disse kan overlappe med kontraindikationer for MR-scanning. Se Villamar et al. <su…

Representative Results

Funktionel MRI er den mest udbredte funktionel billeddannelse teknik til at løse de underliggende neurale mekanismer motoriske og kognitive funktioner. For nylig er fMRI også blevet anvendt til at evaluere TDCs virkninger på kortikale aktivitet og tilslutningsmuligheder. Men de fleste af disse undersøgelser administreres TDCs uden for scanneren og evalueres offline virkninger af stimulering (dvs. administreret TDCs før scanning 22, 23). Kun få undersøgelser hidtil har administreret TDCs under …

Discussion

Den kombinerede anvendelse af TDCs med samtidig fMRI har vist potentiale til at belyse de neurale fundament for de umiddelbare virkninger af den stimulation over hele hjernen med høj rumlig opløsning ^13-19. I fremtiden kan sådanne undersøgelser blive suppleret med kombinerede EEG-TDCs undersøgelser, at udnytte den overlegne tidsmæssige opløsning af sidstnævnte teknik. Desuden intrascanner stimulation muliggør kontrol af korrekt placering af elektroder på hovedbunden (fx anvendelse T-vægted…

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