Transcrânienne à courant de stimulation et simultanée fonctionnelle imagerie par résonance magnétique

Summary

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une technique de stimulation cérébrale non invasive. Il a été utilisé avec succès dans la recherche fondamentale et les paramètres cliniques de moduler le fonctionnement du cerveau chez l'homme. Cet article décrit la mise en œuvre de la STCC et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle simultanée (IRMf), pour étudier les bases neurales de STCC effets.

Abstract

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une technique de stimulation cérébrale non invasive qui utilise de faibles courants électriques administrées sur le cuir chevelu pour manipuler l'excitabilité corticale et, par conséquent, le comportement et le fonctionnement du cerveau. Dans la dernière décennie, de nombreuses études ont porté sur les effets à court terme et à long terme de la STCC sur différentes mesures de la performance comportementale lors de tâches motrices et cognitives, à la fois chez les individus sains et dans un certain nombre de différentes populations de patients. Jusqu'à présent, toutefois, on sait peu sur les fondements neuronaux de la STCC action chez l'homme en ce qui concerne les réseaux de cerveau à grande échelle. Ce problème peut être résolu en combinant STCC avec des techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle comme l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ou l'électroencéphalographie (EEG).

En particulier, l'IRMf est la technique d'imagerie cérébrale la plus largement utilisée pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices. Applicatisur de STCC pendant IRMf permet d'analyser les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement à haute résolution spatiale sur l'ensemble du cerveau. Des études récentes utilisant cette technique identifiés stimulation changements induits dans l'activité fonctionnelle du cerveau liée à la tâche sur le site de stimulation et aussi dans les régions du cerveau les plus éloignées, qui ont été associés à une amélioration du comportement. En outre, STCC administrés pendant l'état de repos IRMf a permis l'identification de vastes changements dans la connectivité fonctionnelle du cerveau entier.

Les études futures utilisant ce protocole combiné devraient produire de nouvelles connaissances sur les mécanismes d'action STCC dans la santé et la maladie et de nouvelles options pour une application plus ciblée des STCC dans la recherche et les milieux cliniques. Le présent manuscrit décrit cette nouvelle technique dans un mode étape par étape, avec un accent sur les aspects techniques de STCC administrés pendant l'IRMf.

Introduction

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une méthode non invasive de stimulation cérébrale dans laquelle le fonctionnement du cortex est modulée au moyen d'un faible courant électrique (généralement 1-2 mA) projetée entre deux électrodes sur le cuir chevelu apposée. Physiologiquement, tDCS induit un changement de polarité neuronale dépendante dans le potentiel de membrane au repos (RMP) dans la région corticale ciblée par la manipulation des canaux de sodium et de calcium, ce qui favorise les changements dans l'excitabilité corticale ^1. Plus précisément, la stimulation anodique (atDCS) a été montré pour augmenter l'activité corticale par dépolarisation neuronale de RMP pendant la stimulation cathodique (ctDCS) réduit l'excitabilité corticale ^2. Comparé à d'autres types de stimulation du cerveau (par exemple, la stimulation magnétique transcrânienne) la sécurité a été bien établi et à ce jour aucun des effets secondaires graves ont été signalés, même dans les populations vulnérables ^{3, 4.} En outre, au moins pour lointensités wer de stimulation (jusqu'à 1 mA), un placebo efficace («simulacre») condition de stimulation existe ^5, permettant aveuglement efficace des participants et des chercheurs des conditions de stimulation, ce qui rend STCC un outil intéressant dans le cadre de recherches expérimentales et cliniques.

De nombreuses études à ce jour ont montré que ces modifications de l'excitabilité corticale peuvent entraîner des modulations de comportement. Dans le système de moteur, des effets dépendant de la polarité cohérentes ont été rapportés ^{1, 6} pour les deux atDCS et ctDCS. Dans les études cognitives, la majorité des études qui emploient atDCS à améliorer les fonctions cognitives ont rapporté des effets bénéfiques sur la performance ^7, tandis que ctDCS souvent n'ont pas abouti à un traitement cognitif. Celle-ci peut être expliqué par la plus grande redondance de ressources de traitement neural sous-jacent ⁶ cognition. La majorité des études STCC ont employé des conceptions cross-over pour étudierles effets immédiats de la stimulation, qui survivent à la fin de l'actuelle seulement pour de courtes périodes de temps ^1. Cependant, il a été suggéré que les effets de stimulation répétée sur la synthèse des protéines, à savoir le mécanisme d'acquisition de compétences neural sous-jacent ^8. En effet, le moteur ou la réussite de l'entraînement cognitif peuvent être améliorées lorsqu'il est combiné avec des sessions de STCC répétées et la stabilité à long terme de ces améliorations ont été rapportés pour durer jusqu'à plusieurs mois chez des adultes sains ^8-10. Ces résultats ont également suscité un intérêt dans l'utilisation de STCC dans des contextes cliniques et des données préliminaires suggèrent qu'il peut aussi être utile comme une approche primaire ou auxiliaire de traitement dans diverses populations cliniques ^3. Cependant, alors qu'un nombre relativement important d'études s'adresse effets neurophysiologiques de la STCC dans le système de moteur, on sait peu sur les mécanismes neuronaux sous-jacents d'effets STCC sur les fonctions cognitives du cerveau dans la santé et la maladie.Une meilleure compréhension du mode d'action du STCC est une condition préalable nécessaire pour des applications plus ciblées de STCC dans la recherche et les milieux cliniques.

Ce problème peut être résolu en combinant STCC avec des techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle comme l'électroencéphalographie (EEG) ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). La majorité des études sur les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices ont choisi d'utiliser l'IRMf ^11. En particulier, l'IRMf est la technique d'imagerie cérébrale la plus largement utilisée pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices ^11. En outre, lorsqu'il est combiné avec l'application simultanée de STCC, IRMf permet d'examiner les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement avec une résolution spatiale élevée sur l'ensemble du cerveau par rapport à l'EEG (pour une description de ces dernières combinée STCC-EEG voir Schestatsky et al. ^12). Le présent manuscrit décrit èmeutilisation combinée de e STCC pendant simultanée IRMf. Cette nouvelle technique a été utilisée avec succès pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents STCC-induites modulations de fonctions motrices et cognitives ^13-19. Dans l'avenir, ce protocole combiné donnera de nouvelles perspectives sur les mécanismes d'action STCC dans la santé et la maladie. Comprendre l'impact de la STCC sur des réseaux neuronaux à grande échelle selon l'évaluation de cette technique peut jeter les bases d'une application plus ciblée des STCC dans la recherche et les milieux cliniques.

Le manuscrit se concentrera sur les différences entre la STCC comportement expériences et l'utilisation combinée de STCC pendant simultanée IRMf, avec un accent particulier sur les besoins en matériel, la mise en œuvre de la technique, et des considérations de sécurité. A titre d'exemple, une seule session de STCC administrés au gyrus frontal inférieur gauche (IFG) pendant l'état de repos de tâches absent (RS) IRMf et pendant une tâche de langue ^{14, 15} wmal être décrit, mais de nombreuses autres applications sont possibles ^{16, 19.} Les détails de la conception expérimentale, les caractéristiques des participants et les procédures d'analyse des données d'IRMf ont été décrits en détail dans les publications originales ^14,15 et sont au-delà du cadre de la présente manuscrit. En outre, dans ces études, une IRMf supplémentaire scanner qui participent imposture STCC a été acquis et comparés aux résultats de la session atDCS (voir «Les résultats représentatifs" pour les détails). Cette session est identique à celui décrit dans la présente manuscrit, sauf que la stimulation a été arrêté avant le début de la session de balayage (voir la figure 1 pour plus de détails). La présente procédure a été appliquée avec succès à un scanner 3-Tesla Siemens Trio IRM au Centre de Berlin pour Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Allemagne), et devrait en principe être applicable à d'autres scanners ainsi ^13.

Protocol

1. Contre-indications et considérations particulières Bien écran participants pour les contre-indications d'IRM (par exemple, les stimulateurs cardiaques, claustrophobie, etc) et d'exclure si nécessaire. Acquérir des questionnaires standard dans les établissements cliniques ou de recherche qui exploitent des appareils d'IRM. Respectez toujours les règles de sécurité habituelles en entrant dans la salle du scanner. Bien écran participants pour des contre-indica…

Representative Results

L'IRM fonctionnelle est la technique la plus largement utilisée de l'imagerie fonctionnelle pour répondre aux mécanismes neuronaux sous-jacents de fonctions motrices ou cognitives. Plus récemment, l'IRMf a également été utilisé pour évaluer STCC effets sur l'activité corticale et la connectivité. Cependant, la plupart de ces études STCC administrés en dehors du scanner et évalué les effets hors de la stimulation (c.-à-administré STCC avant la numérisation 22, 23). Se…

Discussion

L'application combinée de STCC avec simultanée IRMf a montré un potentiel pour élucider les fondements neuraux des effets immédiats de la stimulation sur l'ensemble du cerveau à haute résolution spatiale ^13-19. Dans l'avenir, de telles études peuvent être complétées par des études combinées EEG-STCC, pour exploiter la résolution temporelle supérieure de cette dernière technique. En outre, intrascanner stimulation permet de vérifier le bon positionnement des électrodes sur le cuir…

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