غير الغازية الكهربائية تحفيز الدماغ التنسيقات لالتحوير من وظيفة موتور الإنسان
Summary
غير الغازية تحفيز الدماغ الكهربائية يمكن أن تعدل وظيفة القشرية والسلوك، سواء لأغراض البحث وأغراض الطبية. يصف هذا البروتوكول النهج تحفيز الدماغ المختلفة لتعديل النظام محرك البشري.
Abstract
يستخدم غير الغازية الكهربائية تحفيز المخ (NEBS) لتعديل وظائف المخ والسلوك، سواء لأغراض البحث وأغراض الطبية. على وجه الخصوص، NEBS يمكن تطبيقها transcranially إما التحفيز المباشر الحالي (tDCS) أو بالتناوب التحفيز الحالي (جان التقييم التقني). هذه الأنواع التحفيز تمارس زمنيا، dose- وفي حالة الآثار القطبية محدد tDCS على وظيفة الحركة ومهارة التعلم في الاشخاص الاصحاء. في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت tDCS لزيادة علاج الإعاقة الحركية لدى المرضى الذين يعانون من السكتة الدماغية أو حركة الاضطرابات. وتنص هذه المادة على بروتوكول خطوة بخطوة لاستهداف القشرة الحركية الأولية مع tDCS وعبر الجمجمة التحفيز الضجيج العشوائي (tRNS)، شكلا معينا من أشكال TACS باستخدام التيار الكهربائي تطبيقها بشكل عشوائي ضمن نطاق تردد محدد مسبقا. وأوضح الإعداد اثنين المونتاج التحفيز المختلفة. في كل مركبة يتم وضع قطب كهربائي ينبعث منها (الأنود لtDCS) على القشرة الحركية الأولية من الفائدة. إلىمن جانب واحد تحفيز القشرة الحركية يوضع القطب تلقي على الجبين المقابل في حين لتحفيز القشرة الحركية الثنائي يوضع القطب تلقي على نقيض القشرة الحركية الأساسية. وتناقش مزايا وعيوب كل المونتاج للتعديل من استثارة القشرية وظيفة الحركة بما في ذلك التعلم، وكذلك سلامة، التحمل والجوانب المسببة للعمى.
Introduction
غير الغازية التحفيز الكهربائي في الدماغ (NEBS)، إدارة تيارات كهربائية إلى الدماغ من خلال الجمجمة سليمة، ويمكن تعديل وظائف المخ والسلوك 1-3. لتحسين الإمكانات العلاجية استراتيجيات NEBS فهم الآليات الأساسية مما يؤدي إلى آثار العصبية والسلوكية لا تزال هناك حاجة. توحيد تطبيق عبر مختبرات مختلفة والشفافية الكاملة لإجراءات التحفيز يوفر الأساس لمقارنة البيانات التي تدعم تفسير موثوق النتائج وتقييم آليات العمل المقترحة. التحفيز عبر الجمجمة التيار المباشر (tDCS) أو عبر الجمجمة بالتناوب التحفيز الحالي (جان التقييم التقني) تختلف من المعلمات من تطبيق التيار الكهربائي: tDCS يتكون من تدفق تيار مستمر أحادي الاتجاه بين قطبين (القطب الموجب والسالب) 2-6 TACS بينما يستخدم التيار المتناوب المطبق فيتردد معين 7. عبر الجمجمة التحفيز الضجيج العشوائي (tRNS) هو شكل خاص من المجموع بحيث يستخدم التيار المتناوب المطبق على ترددات عشوائية (على سبيل المثال، 100-640 هرتز) مما أدى إلى تفاوت بسرعة شدة التحفيز وإزالة الآثار المتعلقة القطبية 4،6،7. الاستقطاب هو ذا أهمية إلا إذا تضمن الإعداد التحفيز التحفيز عوض، وعلى سبيل المثال، الطيف الضجيج يتغير بشكل عشوائي حول مللي أمبير كثافة خط الأساس +1 (عادة لا تستخدم). لأغراض هذه المادة، سوف نركز على العمل باستخدام tDCS وtRNS التأثيرات على الجهاز الحركي، عن كثب في أعقاب نشر مؤخرا من مختبرنا 6.
حتى أقل مفهومة الآليات الكامنة وراء عمل tRNS من من tDCS لكن تختلف على الأرجح من هذا الأخير. من الناحية النظرية، في الإطار المفاهيمي الرنين العشوائية tRNS يدخل الضجيج الناجم عن التحفيز لنظام الخلايا العصبية التي قد توفر فائدة معالجة الإشارات عن طريق تغيير اله إشارة إلى نسبة الضوضاء 4،8،9. TRNS قد تضخيم الغالب الإشارات الأضعف وبالتالي يمكن تحسين نشاط المخ مهمة محددة (الضوضاء الذاتية 9). مصعدي tDCS يزيد القشرية استثارة المشار إليها بواسطة تغيير في عفوية معدل إطلاق الخلايا العصبية 10 أو أثار زيادة السيارات المحتملين (MEP) سعة 2 مع آثار بالصمود لمدة التحفيز للدقيقة إلى ساعة. ويعتقد أن الزيادات طويلة الأمد في فعالية متشابك المعروفة باسم التقوية على المدى الطويل للمساهمة في التعلم والذاكرة. في الواقع، مصعدي tDCS يعزز فعالية متشابك من المحركات نقاط الاشتباك العصبي القشرية تنشيط مرارا ضعف مدخلات متشابك 11. وفقا، وغالبا ما كشفت اكتساب تحسين وظيفة الحركة / مهارة إلا إذا التحفيز ويشترك تطبيق مع التدريب المحرك 11-13، مما يشير أيضا متشابك شارك في تفعيل كشرط أساسي لهذه العملية التي تعتمد على النشاط. ومع ذلك، السببية بين الزيادات في جلم يثبت استثارة ortical (الزيادة في معدل إطلاق النار أو السعة MEP) من جهة، وتحسين فعالية متشابك (الكمونية أو وظيفة السلوكية مثل التعلم الحركي) من جهة أخرى.
تطبيق NEBS إلى القشرة الحركية الأولية (M1) قد جذبت اهتمام متزايد كوسيلة آمنة وفعالة لتعديل وظيفة الحركة البشرية 1. قد تعتمد الآثار العصبية والسلوكية نتيجة لاستراتيجية التحفيز (على سبيل المثال، tDCS القطبية أو tRNS)، وحجم الكهربائي والمونتاج 4 – 6،14،15. وبصرف النظر عن العوامل التشريحية والفسيولوجية الموضوع الأصيل المونتاج الكهربائي يؤثر بشكل ملحوظ توزيع الحقل الكهربائي ويمكن أن يؤدي إلى أنماط مختلفة من تيار الانتشار داخل القشرة 16-18. بالإضافة إلى شدة تطبيقها الحالي حجم الأقطاب يحدد كثافة التيار تسليمها 3. المونتاج القطب المشتركفي محرك البشري وتشمل دراسات النظام (الشكل 1): 1) مصعدي tDCS كما التحفيز M1 من جانب واحد مع الأنود المتمركزة على M1 من الفائدة والكاثود وضعه على جبهته المقابل. الفكرة الأساسية لهذا النهج هو upregulation من استثارة في M1 من الفائدة 6،13،19 – 22؛ 2) مصعدي tDCS كما التحفيز M1 الثنائي (يشار إليه أيضا باسم "bihemispheric" أو "ثنائي" التحفيز) مع الأنود المتمركزة على M1 من الفائدة والكاثود المتمركزة على المقابل M1 5،6،14،23،24. الفكرة الأساسية لهذا النهج هو تعظيم فوائد التحفيز عن طريق upregulation من استثارة في M1 من الفائدة بينما downregulating استثارة في M1 المعاكس (أي تعديل تثبيط نصفي بين M1s اثنين)؛ 3) لtRNS، كان فقط المذكورة أعلاه من جانب واحد M1 التحفيز المونتاج investigATED 4،6. مع تم العثور على هذا استثارة المونتاج تعزيز اثار tRNS لطيف التردد من 100-640 هرتز 4. اختيار استراتيجية تحفيز المخ والمونتاج القطب يمثل خطوة حاسمة لكفاءة استخدام وموثوق بها من NEBS في المرافق الصحية أو البحثية. هنا يتم وصف هذه الإجراءات NEBS ثلاثة في التفاصيل كما تستخدم في دراسات الجهاز الحركي الإنسان وتتم مناقشة الجوانب المنهجية والمفاهيمية. المواد اللازمة لtDCS الأحادية أو الثنائية وtRNS من جانب واحد هي نفس (الشكل 2).
الشكل 1. المونتاج الكهربائي والاتجاه الحالي لاستراتيجيات NEBS متميزة. (A) لالمصعدي من جانب واحد عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS)، وتتركز الأنود على القشرة الحركية الأولية من الفائدة والكاثود وضعه فوق تيكان المقابل منطقة فوق المداري. (ب) لتحفيز القشرة الحركية الثنائي القطب الموجب والسالب وتقع كل على القشرة الحركية واحد. موقف الأنود يحدد القشرة الحركية التي تهم tDCS مصعدي. (C) لالجمجمة التحفيز الضجيج العشوائي من جانب واحد (tRNS)، ويقع القطب واحد على القشرة الحركية والقطب الآخر على منطقة ما فوق المداري المقابل. يشار إلى تدفق التيار بين الأقطاب التي كتبها السهم الأسود. الأنود (+، أحمر)، الكاثود (-، الأزرق)، التيار المتردد (+/-، الأخضر). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول مواد النموذجية والخطوات الإجرائية لتعديل وظيفة الحركة اليد ومهارة التعلم باستخدام NEBS، وتحديدا من جانب واحد والثنائي التحفيز M1 لمصعدي tDCS، وtRNS من جانب واحد. قبل اختيار بروتوكول NEBS خاص لدراسة نظام المحرك البشري، على سبيل المثال، في سياق التعلم …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
معتمدة مولودية والابن من قبل مؤسسة الأبحاث الألمانية (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).
