Неинвазивного Электрическая стимуляция мозга Монтажи для модуляции человеческого двигательной функции
Summary
Неинвазивная электростимуляция мозга может модулировать корковой функции и поведение, как для научных исследований и клинических целей. Этот протокол описывает различные подходы стимуляция мозга для модуляции двигательной системы человека.
Abstract
Неинвазивная электростимуляция мозга (NEBS) используется для модуляции функции мозга и поведение, как для научных исследований и клинических целей. В частности, NEBS могут быть применены transcranially либо как постоянный ток стимуляции (ТОК) или переменный ток стимуляции (ПВР). Эти типы стимуляции оказывают временных, дозы и в случае ТОК полярности конкретных воздействий на моторную функцию и мастерства обучения у здоровых субъектов. В последнее время, ТОК была использована для увеличения терапию двигательными нарушениями у больных с инсультом или двигательных расстройств. Эта статья предусматривает протокол шаг за шагом для ориентации основных моторной коры с ТОК и транскраниальной стимуляции случайный шум (TRNS), специфическую форму ПВР с использованием электрического тока, подаваемого в случайном порядке в течение заданного диапазона частот. Установки двух различных монтажей стимуляции объясняется. В обоих монтажей излучающий электрод (анод для ТОК) помещают на первичной моторной коре интерес. ДляОдностороннее стимуляция моторной коры принимающий электрод помещается на контралатеральной лбу, а для двустороннего стимуляции моторной коры принимающий электрод помещается на противоположной первичной моторной коре. Преимущества и недостатки каждого монтажа для модуляции возбудимости коры и моторной функции, включая обучение обсуждаются, а также безопасность, переносимость и ослепляющих аспектах.
Introduction
Неинвазивная электростимуляция мозга (NEBS), администрация электрических токов в мозг через неповрежденную черепа, может изменить функцию мозга и поведение 1 – 3. Для оптимизации терапевтического потенциала стратегий NEBS Понимание основных механизмы, приводящие к нейрофизиологических и поведенческих эффектов по-прежнему необходима. Стандартизация применения через разных лабораториях и полной прозрачности процедур стимуляции обеспечивает основу для сопоставимости данных, которая поддерживает надежную интерпретацию результатов и оценки предложенных механизмов действия. Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) или транскраниальная переменного тока стимуляции (ПВР) отличаются по параметрам приложенное электрический ток: ТОК состоит из однонаправленного постоянного тока между двумя электродами (анод и катод) 2 – 6, тогда как TACS использует переменный ток, приложенный точке аопределенной частоты 7. Транскраниальная случайным стимуляция шума (TRNS) является особой формой ПВР, который использует переменный ток, подаваемый на случайных частотах (например., 100-640 Гц), в результате быстро различной интенсивности стимуляции и удаления полярности эффектов, связанных с 4,6,7. Полярность только отношение, если настройка стимуляции включает стимулирование смещения, например, спектр шума случайным изменением вокруг +1 мА базового интенсивность (обычно не используется). Для целей настоящей статьи, мы сосредоточимся на работе с помощью ТОК и TRNS воздействие на опорно-двигательного аппарата, внимательно следит недавней публикации из нашей лаборатории 6.
Лежащие в основе механизмы действия TRNS даже менее понятно, чем ТОК но, вероятно, отличается от последнего. Теоретически, в концептуальных рамках стохастического резонанса TRNS вводит стимуляции индуцированного шума в нейронной системе, которая может обеспечить преимущество в обработке сигнала, изменяя тысе сигнал-шум 4,8,9. TRNS может преимущественно усиливать слабые сигналы и, таким образом можно было оптимизировать мозговую деятельность конкретных задач (эндогенный шума 9). Анодной ТОК увеличивает корковой возбудимости указанный счет изменения спонтанной нейронной скорострельность 10 или увеличен двигателя вызванных потенциалов (МООС) амплитуд 2 с эффектами опередив продолжительность стимуляции для минут до нескольких часов. Долговечные увеличение синаптической эффективности известного как долговременной потенциации, как полагают, способствуют обучению и памяти. Действительно, анодная ТОК усиливает синаптическую эффективность моторных корковых синапсов неоднократно активированных слабым синаптической вход 11. В соответствии, приобретение улучшилась двигательная функция / умение часто обнаруживается только при стимуляции совместно применяться с мотором обучения 11 – 13, также предполагая синаптическую сотрудничество активацию в качестве предварительного условия этого зависимого от активности процесса. Тем не менее, причинная связь между увеличением Cortical возбудимость (увеличение скорости стрельбы или MEP амплитуды), с одной стороны, и улучшена синаптической эффективности (LTP или поведенческих функций, таких как моторное обучения), с другой стороны не была продемонстрирована.
NEBS применяется к первичной моторной коре (M1) стали привлекать все большее внимание как безопасный и эффективный метод, чтобы модулировать двигательные функции человеческого 1. Нейрофизиологические эффекты и поведенческие результат может зависеть от стратегии стимуляции (например, ТОК полярности или TRNS), размера электрода и монтажа 4 – 6,14,15. Помимо предметных присущи анатомических и физиологических факторов электрод монтаж существенно влияет распределение электрического поля и может привести к различных форм растекания тока в коре 16 – 18. В дополнение к интенсивности приложенного тока размером электродов определяет плотность тока, подаваемого 3. Общий электрод монтажив человеческом двигательного аппарата исследования включают (рисунок 1): 1) анодный ТОК как одностороннее стимуляции M1 с анодом, расположенным на М1 интереса и катодом, расположенным на противоположной лбу; основная идея этого подхода заключается в регуляция возбудимости в M1 интереса 6,13,19 – 22; 2) анодная ТОК качестве двусторонней стимуляции М1 (также упоминается как "bihemispheric" или "двойного" стимуляции) с анодом, расположенным на М1 интереса и катодом, расположенным на противоположной M1 5,6,14,23,24; основная идея этого подхода состоит в максимизации выгод стимуляции позитивной регуляции возбудимости в M1 интересов в ходе downregulating возбудимость в противоположном M1 (т.е. модуляция межполушарную ингибирования между двумя M1S); 3) Для TRNS, только упомянутая выше одностороннее М1 стимуляция монтаж был Investigованные 4,6; с этим монтаж возбудимость эффекты усиления TRNS были найдены для частотного спектра 100-640 Гц 4. Выбор мозга стратегии стимуляции и электродного монтажа представляет собой важный шаг для эффективного и надежного использования NEBS в клинических или исследовательских установок. Здесь эти три процедуры NEBS подробно описаны как используется в исследованиях двигательной системы человека и методологические и концептуальные аспекты обсуждаются. Материалы для односторонних или двусторонних ТОК и односторонних TRNS одинаковы (рисунок 2).
Рисунок 1. Электродные монтажи и направление тока для различных стратегий NEBS. (A) Для одностороннее анодной транскраниальной стимуляции постоянным током (ТОК), анод по центру над первичной моторной коре интерес и катодом, расположенным над Тон контралатеральной Supra-орбитальных область. (B) Для двустороннего стимуляции моторной коры, анодом и катодом располагаются друг над одной моторной коры. Положение анода определяет двигательную кору интерес для анодных ТОК. (C) Для одностороннего транскраниальной стимуляции случайного шума (TRNS), один электрод расположен над моторной коре, а другой электрод над контралатеральной сверх-орбитальное области. Электрический ток между электродами обозначено черной стрелкой. Анод (+, красный), катод (-, синий), переменный ток (+/-, зеленый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает типичные материалы и процедурные шаги для модуляции ручной моторной функции и мастерство обучения с использованием NEBS, в частности одностороннее и двустороннее стимуляции M1 для анодной ТОК и односторонние TRNS. Прежде чем выбрать конкретный протокол NEBS для изуч…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MC и JR поддерживаются Немецкий исследовательский фонд (DFG RE 2740 / 3-1).
Materials
| NEBS device (DC Stimulator plus) | Neuroconn | ||
| Electrode cables | Neuroconn | ||
| Conductive-rubber electrodes | Neuroconn | 5×5 cm | |
| Perforated sponge bags | Neuroconn | 5×5 cm | |
| Non-conductive rubber sponge cover | Amrex-Zetron | FG-02-A103 | Rubber pad 3"*3" |
| NaCl isotonic solution | B. Braun Melsungen AG | A1151 | Ecoflac, 0,9% |
| Cotton crepe bandage | Paul Hartmann AG | 931004 | 8x5m, textile elasticity |
| Adhesive tape (Leukofix) | BSN medical | 02122-00 | 2,5cm*5m |
| Skin preparation paste | Weaver | 10-30 | |
| Magnetic stimulator | Magstim | 3010-00 | Magstim 200 |
| EMG conductive paste | GE Medical Systems | 217083 | |
| EMG bipolar electrodes | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| EMG amplifier | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Cable for EMG signal transmission | e.g., Natus Medical Inc. Viking 4 | ||
| Data acquisition unit | Cambridge Electronic Design (CED) | MK1401-3 | AD converter |
| Computer for signal recording and offline analysis | |||
| Signal 4.0.9 | Cambridge Electronic Design (CED) | Software | |
| non-permanent skin marker | Edding | 8020 | 1 mm, blue |
References
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr Opin Neurol. 24 (6), 590-596 (2011).
- Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (3), 633-639 (2000).
- Nitsche, M. A., Cohen, L. G., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1 (3), 206-223 (2008).
- Terney, D., Chaieb, L., Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation. J Neurosci. 28 (52), 14147-14155 (2008).
- Kidgell, D. J., Goodwill, A. M., Frazer, A. K., Daly, R. M. Induction of cortical plasticity and improved motor performance following unilateral and bilateral transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex. BMC Neurosci. 14 (1), 64 (2013).
- Prichard, G., Weiller, C., Fritsch, B., Reis, J. Brain Stimulation Effects of Different Electrical Brain Stimulation Protocols on Subcomponents of Motor Skill Learning. Brain Stimul. 7 (4), 532-540 (2014).
- Antal, A., Paulus, W., Hunter, M. A. Transcranial alternating current stimulation ( tACS ). Front Hum Neurosci. 7, 1-4 (2013).
- Collins, J. J., Chow, C. C., Imhoff, T. T. Stochastic resonance without tuning. Nature. 376 (6537), 236-238 (1995).
- Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1702-1712 (2013).
- Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. the Action of Brief Polarizing Currents on the Cerebral Cortex of the Rat (1) During Current Flow and (2) in the Production of Long-Lasting After-Effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
- Fritsch, B., Reis, J., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: Potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Galea, J. M., Celnik, P. Brain polarization enhances the formation and retention of motor memories. J Neurophysiol. 102 (1), 294-301 (2009).
- Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but Not Sleep-Dependent Consolidation of tDCS-Enhanced Visuomotor Skills. Cereb Cortex. (1), 1-9 (2013).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front Hum Neurosci. 7 (8), 435 (2013).
- Sehm, B., Kipping, J., Schäfer, A., Villringer, A., Ragert, P. A Comparison between Uni- and Bilateral tDCS Effects on Functional Connectivity of the Human Motor Cortex. Front Hum Neurosci Neurosci. 7 (4), 183 (2013).
- Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Electrode-distance dependent after-effects of transcranial direct and random noise stimulation with extracephalic reference electrodes. Clin Neurophysiol. 121 (12), 2165-2171 (2010).
- Bikson, M., Rahman, a., Datta, a. Computational Models of Transcranial Direct Current Stimulation. Clin EEG Neurosci. 43 (3), 176-183 (2012).
- Opitz, A., Paulus, W., Will, A., Thielscher, A. Determinants of the electric field during transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 109, 140-150 (2015).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Reis, J., Schambra, H. M., 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 (5), 1590-1595 (2009).
- Batsikadze, G., Moliadze, V., Paulus, W., Kuo, M. -. F., Nitsche, M. a Partially non-linear stimulation intensity-dependent effects of direct current stimulation on motor cortex excitability in humans. J Physiol. 591 (7), 1987-2000 (2013).
- Wiethoff, S., Hamada, M., Rothwell, J. C. Variability in response to transcranial direct current stimulation of the motor cortex. Brain Stimul. 7 (3), 468-475 (2014).
- Mordillo-Mateos, L., Turpin-Fenoll, L., et al. Effects of simultaneous bilateral tDCS of the human motor cortex. Brain Stimul. 5 (3), 214-222 (2012).
- Tazoe, T., Endoh, T., Kitamura, T., Ogata, T. Polarity Specific Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Interhemispheric Inhibition. PLoS One. 9 (12), e114244 (2014).
- Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 112, 720 (2000).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
- Brasil-Neto, J. P., Cohen, L. G., Panizza, M., Nilsson, J., Roth, B. J., Hallett, M. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9 (1), 132-136 (1992).
- Mills, K., Boniface, S., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85 (1), 17-21 (1992).
- Rothwell, J., Hallett, M., Berardelli, A., Eisen, A., Rossini, P., Paulus, W. Magnetic stimulation motor evoked potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 52, 97-103 (1999).
- Ueno, S., Tashiro, T., Harada, K. Localized stimulation of neural tissues in the brain by means of a paired configuration of time-varying magnetic fields. J Appl Phys. 64 (10), 5862-5864 (1988).
- Fleming, M. K., Sorinola, I. O., Newham, D. J., Roberts-Lewis, S. F., Bergmann, J. H. M. The effect of coil type and navigation on the reliability of transcranial magnetic stimulation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 20 (5), 617-625 (2012).
- Brunoni, A. R., Amadera, J., Berbel, B., Volz, M. S., Rizzerio, B. G., Fregni, F. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int J Neuropsychopharmacol. 14 (8), 1133-1145 (2011).
- Palm, U., Reisinger, E., et al. Brain Stimulation Evaluation of Sham Transcranial Direct Current Stimulation for Randomized, Placebo-Controlled Clinical Trials. Brain Stimul. 6 (4), 690-695 (2013).
- Sehm, B., Schäfer, A., et al. Dynamic modulation of intrinsic functional connectivity by transcranial direct current stimulation. J Neurophysiol. 108 (12), 3253-3263 (2012).
- Nitsche, M. A., Schauenburg, A., et al. Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. J Cogn Neurosci. 15 (4), 619-626 (2003).
- Antal, A., Begemeier, S., Nitsche, M. A., Paulus, W. Prior state of cortical activity influences subsequent practicing of a visuomotor coordination task. Neuropsychologia. 46 (13), 3157-3161 (2008).
- Kang, E. K., Paik, N. J. Effect of a tDCS electrode montage on implicit motor sequence learning in healthy subjects. Exp Transl Stroke Med. 3 (1), 4 (2011).
- Kantak, S. S., Mummidisetty, C. K., Stinear, J. W. Primary motor and premotor cortex in implicit sequence learning – Evidence for competition between implicit and explicit human motor memory systems. Eur J Neurosci. 36 (5), 2710-2715 (2012).
- Nissen, M. J., Bullemer, P. Attentional requirements of learning: Evidence from performance measures. Cogn Psychol. 19 (1), 1-32 (1987).
- Stagg, C. J., Jayaram, G., Pastor, D., Kincses, Z. T., Matthews, P. M., Johansen-berg, H. Polarity and timing-dependent effects of transcranial direct current stimulation in explicit motor learning. Neuropsychologia. 49 (5), 800-804 (2011).
- Poreisz, C., Boros, K., Antal, A., Paulus, W. Safety aspects of transcranial direct current stimulation concerning healthy subjects and patients. Brain Res Bull. 72 (4-6), 208-214 (2007).
- 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 (4), 845-850 (2006).
- Baudewig, J., Nitsche, M. A., Paulus, W., Frahm, J. Regional modulation of BOLD MRI responses to human sensorimotor activation by transcranial direct current stimulation. Magn Reson Med. 45 (2), 196-201 (2001).
- Venkatakrishnan, A., Sandrini, M. Combining transcranial direct current stimulation and neuroimaging: novel insights in understanding neuroplasticity. J Neurophysiol. 107 (1), 1-4 (2012).
- Neuling, T., Wagner, S., Wolters, C. H., Zaehle, T., Herrmann, C. S. Finite-element model predicts current density distribution for clinical applications of tDCS and tACS. Frontiers in Psychiatry. 3, 1-10 (2012).
- Bikson, M., Rahman, A. Origins of specificity during tDCS anatomical, activity-selective, and input-bias mechanisms. Front Hum Neurosci. 7, 1-5 (2013).
- Truong, D. Q., Hüber, M., et al. Brain Stimulation Clinician Accessible Tools for GUI Computational Models of Transcranial Electrical Stimulation BONSAI and SPHERES. Brain Stimul. 7 (4), 521-524 (2014).
- Caparelli-Daquer, E. M., Zimmermann, T. J., et al. A Pilot Study on Effects of 4×1 High-Definition tDCS on Motor Cortex Excitability. Proc Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc EMBS. , 735-738 (2012).
- Kuo, H. I., Bikson, M., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
