Transkranyal Doğru Akım Uyarım ve Simultane Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme
Summary
Transkraniyal akım uyarımı (TEKMER) non-invaziv bir beyin stimülasyonu tekniğidir. Başarılı insanlarda beyin fonksiyonunu modüle etmek için, temel araştırmalar ve klinik olarak kullanılmıştır. Bu makale TEKMER etkileri nöral temelini araştırmak için, TEKMER uygulanmasını ve eşzamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) açıklar.
Abstract
Transkraniyal akım uyarımı (TEKMER) zayıf elektrik kortikal eksitabilitesini işlemek için kafa derisi için uygulanan akımları ve dolayısıyla, davranış ve beyin işlevini kullanan bir non-invaziv beyin stimülasyonu tekniğidir. Son on yılda, çok sayıda çalışmalar sağlıklı bireylerde ve farklı hasta popülasyonlarında bir dizi, hem motor ve bilişsel görevler sırasında davranışsal performans farklı tedbirler hakkında TEKMER kısa vadeli ve uzun vadeli etkileri ele alınmıştır. Ancak bugüne kadar, küçük büyük ölçekli beyin ağları ile ilgili insanlarda TEKMER-eylem nöral temelleri hakkında bilinmektedir. Bu sorun, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) veya elektroensefalografi (EEG) gibi fonksiyonel beyin görüntüleme teknikleri ile TEKMER birleştirerek ele alınabilir.
Özellikle, fMRI biliş ve motor fonksiyonlarını altında yatan nöral mekanizmalarını araştırmak için en yaygın olarak kullanılan beyin görüntüleme tekniğidir. UygfMRI sırasında TEKMER on tüm beyin çapında yüksek uzaysal çözünürlüğü ile davranışsal TEKMER etkilerin altında yatan nöral mekanizmaların analizi sağlar. Bu tekniği kullanarak yeni çalışmalar davranışsal iyileşme ile ilişkili stimülasyon yerinde görev bağlı işlevsel beyin aktivitesinde ve aynı zamanda daha uzak beyin bölgelerinin uyarılması bağlı değişiklikleri tespit. Buna ek olarak, istirahat-devlet fMRI sırasında uygulanan TEKMER tüm beyin fonksiyonel bağlantısı yaygın değişikliklerin belirlenmesini sağladı.
Bu kombine protokolünü kullanarak gelecekteki çalışmaların sağlık ve hastalık araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedefli uygulama için yeni seçenekler TEKMER eylem mekanizmalarına yeni anlayışlar verim gerekir. Mevcut el yazması fMRI sırasında uygulanan TEKMER teknik yönlerine odaklanarak, bir adım-adım moda bu yeni bir teknik açıklanır.
Introduction
Transkraniyal akım stimülasyonu (TDC'ler) kortikal işleyen iki kafa derisi-yapıştırılmıştır elektrodlar arasında öngörülen zayıf bir elektrik akımı (tipik olarak 1-2 mA) vasıtasıyla modüle edildiği beyin uyarımı bir invazif olmayan bir yöntemdir. Fizyolojik olarak, TDC'ler böylece kortikal uyarılma 1 değişiklikleri teşvik, sodyum ve kalsiyum kanallarının manipülasyon yoluyla hedeflenen kortikal bölgedeki nöronal dinlenme membran potansiyelinin (RMP) ve kutup bağımlı kayması neden olur. Spesifik olarak, anot uyarımı (atDCS) katot uyarımı (ctDCS) kortikal 2 uyarılabilirliğini azaltır nöronal RMP depolorizasyonun ile kortikal etkinliği artırmak için gösterilmiştir. Beyin stimülasyonu diğer türlerine göre (örneğin transkranial manyetik stimülasyon) emniyet iyi kurulmuş ve bugüne kadar hiçbir ciddi yan etkiler daha da savunmasız nüfus 3, 4 bildirilmiştir. Aynı zamanda, en az bir lokomotifwer stimülasyon yoğunlukları (kadar 1 mA), etkili bir plasebo ("sahte") stimülasyon koşulu TEKMER deneysel ve klinik araştırma ortamlarında bir çekici aracı render, uyarım koşullarına katılımcıların ve araştırmacıların etkili körleşmesini sağlayan, 5 var.
Çeşitli çalışmalar bugüne kadar kortikal eksitabilite bu değişiklikler davranış modülasyonlarına neden olabileceğini göstermiştir. Motor sistemi tutarlı, polarizasyon bağımlı etkileri atDCS ve ctDCS ikisi için 1, 6 bildirilmiştir. CtDCS sık bozulmuş bilişsel işleme sonuç vermedi ise bilişsel çalışmalarda, bilişsel fonksiyonları geliştirmek için atDCS istihdam çalışmaların çoğunluğu, performans 7 üzerinde yararlı etkileri bildirilmiştir. İkincisi biliş 6 yatan nöral işleme kaynaklarının büyük fazlalık ile açıklanabilir. TEKMER çalışmaların çoğunluğu çalışma çapraz tasarımları üzerinde istihdam varsadece zaman 1 kısa bir süre için geçerli bir fesih outlast stimülasyon acil etkiler. Ancak, sinir mekanizması altında yatan beceri edinme 8 yani protein sentezi üzerine uyarım etkileri, tekrarlanan ileri sürülmüştür. Tekrarlanan TEKMER oturumları ve bu gelişmelerin uzun vadeli istikrar sağlıklı erişkinlerde 8-10 birkaç aya kadar son rapor edilmiştir ile kombine Nitekim, motor ve bilişsel eğitim başarı artabilir. Bu bulgular ayrıca, klinik ortamlarda ve ön veri TDC'ler kullanımında bir ilgi uyandırmıştır aynı zamanda çeşitli hasta topluluğunda 3 içerisinde birincil veya ilave tedavi yaklaşımı olarak yararlı olabileceğini düşündürmektedir. Çalışmaların nispeten çok sayıda motor sisteminde TEKMER nörofizyolojik etkilerini ele iken Ancak, küçük sağlık ve hastalık bilişsel beyin fonksiyonları üzerindeki TEKMER etkileri altında yatan nöral mekanizmalar hakkında bilinmektedir.TEKMER eylem tarzının daha iyi anlaşılması araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedeflenen uygulamalar için gerekli bir ön koşuldur.
Bu sorun, elektroensefalografi (EEG) veya fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi fonksiyonel beyin görüntüleme teknikleri ile TEKMER birleştirerek ele alınabilir. Biliş ve motor fonksiyonlarını altında yatan nöral mekanizmalarını araştıran çalışmaların çoğu fMRI 11 istihdam seçtiniz. Özellikle, fMRI biliş ve motor fonksiyonları 11 altında yatan nöral mekanizmalarını araştırmak için en yaygın olarak kullanılan beyin görüntüleme tekniğidir. TDC'ler eşzamanlı uygulama ile birlikte Üstelik, fMRI EEG ile karşılaştırıldığında tüm beyin boyunca daha yüksek uzamsal çözünürlük ile davranış TDC'ler etkilerin altında yatan mekanizmaların nöral incelenmesi (birleşik TDC'ler-EEG son açıklamaları için Schestatsky et al. 12) izin verir. Mevcut el yazması inci açıklarEş zamanlı fMRI sırasında TEKMER e kombine kullanımı. Bu roman tekniği başarıyla motor ve bilişsel fonksiyonların 13-19 arasında TEKMER kaynaklı modülasyon altında yatan nöral mekanizmalarını incelemek için kullanılır olmuştur. Gelecekte, bu kombine protokol sağlık ve hastalık TEKMER eylem mekanizmalarına yeni anlayışlar verecektir. Bu teknik ile değerlendirildiği gibi büyük ölçekli sinir ağları TEKMER etkisini anlamak araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedefli uygulama için zemin hazırlamak olabilir.
El yazması belirli bir donanım gereksinimleri üzerinde durularak, tekniğin uygulanması ve güvenlik konuları ile, davranışsal TEKMER deneyler ve eş zamanlı fMRI sırasında TEKMER kombine kullanımı arasındaki farklılıklar üzerinde durulacak. Bir örnek olarak, görev-devamsızlık dinlenme-devlet (RS) fMRI sırasında ve bir dil görevi 14, 15 w sırasında sol inferior frontal girus (BAG) uygulanan TEKMER tek bir oturumdiğer birçok uygulama 16, 19 mümkün olsa hasta, tarif edilebilir. Deneysel tasarım, katılımcı özellikleri ve fMRI veri analizi prosedürleri detaylı orijinal 14,15 yayınlarda ayrıntılı olarak tarif edilen ve mevcut yazının kapsamı dışındadır edilmiştir. Ayrıca, bu çalışmalarda, ek bir fMRI yer sahte TEKMER (ayrıntılar için "Temsilci sonuçları" bakın) edinilen ve atDCS oturumun sonuçları ile karşılaştırıldığında olduğunu tarayın. Bu oturum uyarım önce tarama oturumu (ayrıntılar için bakınız Şekil 1) başlangıcına kesildi dışında, bu metin içinde tarif edilen ile aynıydı. Mevcut işlem başarıyla İleri Görüntüleme (Charite Üniversitesi Tıp, Berlin, Almanya) için Berlin Merkezi'nde 3-Tesla Siemens Trio MRI tarayıcısı olarak uygulamaya konmuştur ve prensipte diğer tarayıcılar da 13 için geçerli olmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eş zamanlı FMRI TDC'ler ile kombine uygulaması, yüksek uzamsal çözünürlük 13-19 ile tüm beyin boyunca stimülasyon hemen etkilerinin ortaya çıkması için nöral temeli potansiyel göstermiştir. Gelecekte, bu tür çalışmalar, ikincisi tekniğinin superior temporal çözünürlük yararlanabilmesi için, kombine EEG-TEKMER çalışmalarla tamamlanmaktadır olabilir. Buna ek olarak, intrascanner stimülasyon kafa derisi üzerinde elektrotların doğru konumlandırma doğrulama (örn.</em…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Deutsche Forschungsgemeinschaft hibe tarafından desteklenmiştir (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 ve DFG-EXC-257, UL: 423/1-1), Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A ve 01GY1144, AF ve MM: 01EO0801), Alman Akademik Değişim Servisi (AF: DAAD-54391829), Go8 Avustralya – Almanya Ortak Araştırma İşbirliği Programı (DC: 2011001430), Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) ve Avustralya Araştırma Konseyi (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Biz editoryal yardım için Kate Riggall teşekkür ederim.
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 |
References
- Stagg, C. J., Nitsche, M. A. Physiological basis of transcranial direct current stimulation. Neuroscientist. 17, 37-53 (2011).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57, 1899-1901 (2001).
- Flöel, A. tDCS-enhanced motor and cognitive function in neurological diseases. NeuroImage. 85, 934-947 (2014).
- Brunoni, A. R., et al. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int. J. Neuropsychopharmacol. 14, 1133-1145 (2011).
- Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): a tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clin. Neurophysiol. 117, 845-850 (2006).
- Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Exp. Brain Res. 216, 1-10 (2012).
- Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clin. EEG Neurosci. 43, 192-199 (2012).
- Reis, J., et al. Noninvasive cortical stimulation enhances motor skill acquisition over multiple days through an effect on consolidation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 1590-1595 (2009).
- Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation over multiple days improves learning and maintenance of a novel vocabulary. Cortex. 50, 137-147 (2014).
- Cohen Kadosh, R., Soskic, S., Iuculano, T., Kanai, R., Walsh, V. Modulating neuronal activity produces specific and long-lasting changes in numerical competence. Curr. Biol. 20, 2016-2020 (2010).
- Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J. Rehabil. Res. Dev. 47, (2010).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (10), (2013).
- Zheng, X., Alsop, D. C., Schlaug, G. Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on human regional cerebral blood flow. NeuroImage. 58, 26-33 (2011).
- Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Flöel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J. Neurosci. 33, 12470-12478 (2013).
- Meinzer, M., et al. Electrical brain stimulation improves cognitive performance by modulating functional connectivity and task-specific activation. J. Neurosci. 32, 1859-1866 (2012).
- Lindenberg, R., Nachtigall, L., Meinzer, M., Sieg, M. M., Floel, A. Differential effects of dual and unihemispheric motor cortex stimulation in older adults. J. Neurosci. 33, 9176-9183 (2013).
- Holland, R., et al. Speech facilitation by left inferior frontal cortex stimulation. Curr. Biol. 21, 1403-1407 (2011).
- Antal, A., Polania, R., Schmidt-Samoa, C., Dechent, P., Paulus, W. Transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex during fMRI. NeuroImage. 55, 590-596 (2011).
- Stagg, C. J., et al. Widespread modulation of cerebral perfusion induced during and after transcranial direct current stimulation applied to the left dorsolateral prefrontal cortex. J. Neurosci. 33, 11425-11431 (2013).
- Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J. Vis. Exp. (77), (2013).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. J. Vis. Exp. (51), (2011).
- Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Functional neuroimaging and transcranial electrical stimulation. Clin. EEG Neurosci. 43, 200-208 (2012).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front. Hum. Neurosci. 7, (2013).
- Antal, A., et al. Direct current stimulation over MT+/V5 modulates motion aftereffect in humans. Neuroreport. 15, 2491-2494 (2004).
- Meinzer, M., et al. Impact of changed positive and negative task-related brain activity on word-retrieval in aging. Neurobiol. Aging. 33, 656-669 (2012).
- Meinzer, M., et al. Neural signatures of semantic and phonemic fluency in young and old adults. J. Cogn. Neurosci. 21, 2007-2018 (2009).
- Meinzer, M., et al. Same modulation but different starting points: performance modulates age differences in inferior frontal cortex activity during word-retrieval. PloS One. 7, (2012).
- Crosson, B., Garcia, A., McGregor, K., Wierenga, C. E., Meinzer, M., Koffler, S., Morgan, J., Baron, I. S., Greiffenstein, M. F. . Neuropsychology Science and Practice. , 149-188 (2013).
- Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. NeuroImage. , (2012).
- Antal, A., Terney, D., Poreisz, C., Paulus, W. Towards unravelling task-related modulations of neuroplastic changes induced in the human motor cortex. Eur. J. Neurosci. 26, 2687-2691 (2007).
- Floel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42, 2065-2067 (2011).
- Baker, J. M., Rorden, C., Fridriksson, J. Using transcranial direct-current stimulation to treat stroke patients with aphasia. Stroke. 41, 1229-1236 (2010).
