Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function

Marco Curado; Brita Fritsch; Janine Reis

doi:10.3791/53367

JoVE Journal > Behavior

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행동분석학

人間の運動機能の調節のための非侵襲的電気脳刺激モンタージュ

Published: February 04, 2016

doi:

10.3791/53367

Marco Curado, Brita Fritsch, Janine Reis

¹Department of Neurology,Albert Ludwigs University Freiburg

Summary

非侵襲的電気脳刺激は、両方の研究および臨床目的のために、皮質機能と動作を調節することができます。このプロトコルは、人間の運動系の調節のための異なる脳刺激的なアプローチについて説明します。

Abstract

非侵襲性の電気脳刺激（NEBS）は、両方の研究及び臨床目的のために、脳の機能と動作を調節するために使用されます。具体的には、NEBSは経頭蓋どちら直流刺激（TDCの）または交流電流刺激（TACS）として適用することができます。これらの刺激の種類は、タイムを発揮する用量と運動機能と健常者における学習スキルにTDCの極性特異的効果の場合インチ最近、TDCのストロークまたは運動障害を有する患者における運動障害の治療を増強するために使用されています。この記事では、TDCのと経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）で一次運動野を標的化するためのステップバイステップのプロトコル、事前定義された周波数範囲内でランダムに印加された電流を使用してTACSの具体的な形態を提供します。二つの異なる刺激モンタージュのセットアップについて説明します。両方のモンタージュで放出電極（TDCのためのアノード）は、目的の一次運動野に配置されています。ために片側運動皮質刺激両側性運動皮質の刺激のための受信電極が反対一次運動皮質上に配置されている間、受信電極対額上に配置されます。利点と皮質興奮性や学習などの運動機能を調節するための各モンタージュの欠点は、同様に安全性、忍容性および盲目の側面として、議論されています。

Introduction

³ ^-非侵襲的な電気脳刺激（NEBS）、無傷の頭蓋骨を通して脳への電気電流の投与は、脳機能と動作^{1を変更することができます} 。神経生理学的および行動効果につながる基礎となるメカニズムを理解NEBS戦略の治療可能性を最適化するにはまだ必要とされています。異なる研究所間でのアプリケーションと刺激手順の完全な透明性の標準化は、アクションの提案メカニズムの結果、評価の信頼性の高い解釈をサポートするデータの比較のための基礎を提供します。経頭蓋直流電流刺激（TDCは）または経頭蓋電流刺激を交互に（TACS）印加された電流のパラメータによって異なりますTDCのは、2つの電極（アノードとカソード^）2との間に一方向の定電流の流れ^で構成されています- TACSは交流電流の印加を使用しながら⁶に特定の周波数^7。経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）ランダム周波数（ 例えば 、100から640 Hz）で迅速に変化する刺激強度をもたらし、極性による影響^{4,6,7の除去}に印加される交流電流を使用TACSの特殊な形式です。刺激の設定は、 例えば 、ランダムに1ミリアンペアのベースライン強度（通常は使用しません）の周りに変化するノイズスペクトルをオフセット刺激が含まれている場合極性は関連性があります。この記事の目的のために、我々は密接に私たちの研究室⁶からの最近の発表後、モータシステム上のTDCとTRNSエフェクトを使って作業に焦点を当てます。

TRNSの行動の根底にあるメカニズムは、それ以下のTDCのより理解が、後者の可能性が異なるされています。理論的には、確率共鳴TRNSの概念的枠組みに番目を変更することによって、信号処理の利点を提供することができる神経系への刺激によって誘導されるノイズを導入電子信号対雑音比^4,8,9。 TRNSは主に弱い信号を増幅することができるので、タスク固有の脳活動（内因性のノイズ^9）を最適化することができます。陽極TDCのは、数分から数時間のための刺激の持続時間をoutlasting効果と皮質の興奮性（MEP）自発的なニューロンの発火率¹⁰の変化によって示されるまたは増加モータが誘発電位振幅^{2を増加させます} 。長期増強として知られているシナプスの有効性の長期的な増加は、学習と記憶に貢献すると考えられています。確かに、陽極TDCの繰り返し弱いシナプス入力¹¹によって活性化され、モータ皮質のシナプスのシナプス伝達効率を向上させます。また、この活動依存プロセスの前提条件として、シナプスの同時活性化を示唆し^、13 ^–よれば、改善された運動機能/スキルの獲得は、多くの場合、刺激が運動トレーニング¹¹と同時適用の場合にのみ明らかにされています。それにもかかわらず、Cの増加との間に因果関係ortical興奮一方で（発火率またはMEP振幅の増加）と改善されたシナプス効力一方（LTPまたはそのような運動学習としての行動機能）が実証されていません。

NEBSは人間の運動機能^{1を調節するために}安全かつ効果的な方法として関心が高まっを集めている一次運動野（M1）に適用されます。 ^6,14,15 ^–神経生理学的効果と行動の結果は、刺激戦略（ 例えば 、TDCの極性またはTRNS）、電極の大きさとモンタージュ⁴に依存してもよいです。別に被験者固有の解剖学的および生理的要因から電極モンタージュを大幅電界分布に影響を及ぼし、皮質¹⁶内の電流拡散の異なるパターンをもたらすことができる^– ^18。電極の印加電流の大きさの強さに加えて³供給される電流密度を決定します。共通電極モンタージュ人間のモータでは、システムの研究は、（ 図1）を含む ：1）陽極TDCの関心のM1と反対側の額に位置するカソード上に位置するアノードとの一方的なM1刺激として;このアプローチの基本的な考え方は、関心^6,13,19のM1における興奮性のアップレギュレーションである^– ^22; 2）陽極TDCの二国間のM1刺激 （また、目的のM1および対M1 ^5,6,14,23,24に位置するカソード上に位置するアノードとの）「bihemispheric」または「デュアル」刺激と呼ばれます。このアプローチの基本的な考え方は、反対M1に興奮をダウンレギュレートしながら、興味のあるM1に興奮のアップレギュレーションによる刺激のメリットを最大化である（ すなわち 、2 M1S間の半球間抑制の変調）。 3）TRNSについては、唯一の上記の一方的なM1刺激モンタージュはinvestigされましたated ^4,6;このモンタージュの興奮とTRNSの強化効果は100から640ヘルツ⁴の周波数スペクトルのために発見されています。脳刺激戦略と電極モンタージュの選択は、臨床や研究の設定でNEBSの効率的かつ信頼性のある使用のための重要なステップを表します。ヒト運動系の研究で使用され、方法論及び概念的態様が説明されているように、ここでこれら三つのNEBS手順が詳細に記載されています。片側性または両側のTDCと一方的TRNSのための材料は、（ 図2）と同じです。

明確なNEBS戦略の図1.電極モンタージュと電流方向。（A）一方的な陽極経頭蓋直流電流刺激（TDCは）のためには、アノードは、興味のある一次運動野とトンの上に位置するカソードの上に中心があります彼は超軌道面積を反対側。両側性運動皮質刺激のための（B）は 、陽極と陰極は、1つの運動皮質の上にそれぞれ配置されています。陽極の位置は、陽極TDCのための目的の運動野を決定します。一方的な経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）について（C）は 、一方の電極が運動野と反対側の上記軌道領域の上に他の電極上に配置されています。電極間の電流の流れを黒矢印で示されています。陽極（+、赤）、カソード-交互（青）、（+/-、緑）現在。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Protocol

倫理の声明：ヒトでの研究は、研究開始前に参加者の書面によるインフォームドコンセントが必要です。参加者の募集の前に、関連する倫理委員会による承認を取得します。研究はヘルシンキ宣言に従っていることを確認してください。ここで報告された代表的な所見（図4）は、59 番目の WMA総会、ソウル、2008年10月によって改正、フライブルク大学の地元の倫理委?…

Representative Results

人間の運動システム上NEBSの影響を調べるためには、適切なアウトカム指標を考慮することが重要です。モータシステムの一つの利点は、電気生理学的ツールで皮質表現のアクセス可能性です。モータは電位が頻繁にモータ皮質の興奮性の指標として使用されている誘発しました。 29μA/ cm 2の電流密度で陽極のTDCの9分以上の適用後、モータ皮質の興奮性は、健…

Discussion

このプロトコルは、手の運動機能やスキルNEBS、陽極TDCは、と一方的TRNSに特に一方的及び二国間のM1刺激を用いた学習の調節のための典型的な材料や処理手順を説明します。人間の運動系の研究のために特定のNEBSプロトコルを選択する前に、 例えば 、運動学習、方法論的な側面（安全性、忍容性、盲検化）だけでなく、概念的態様（特に脳領域上のモンタージュや現在のタイプ特…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MCとJRは、ドイツ研究協会（DFG RE 2740 / 3-1）でサポートされています。

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

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Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).