Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering montage för modulering av humant Motor Function
Summary
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering kan modulera kortikal funktion och beteende, både för forskning och kliniska ändamål. Detta protokoll beskriver olika hjärnstimulerings metoder för modulering av det humana motoriska systemet.
Abstract
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering (NEBS) används för att modulera hjärnans funktion och beteende, både för forskning och kliniska ändamål. I synnerhet kan NEBS appliceras transcranially antingen som likström stimulering (TFF) eller växelström stimulering (TAC). Dessa stimuleringstyper utöva tids-, dos- och i fallet med TFF polaritet specifika effekter på motorisk funktion och skicklighet lärande hos friska försökspersoner. På senare tid har TFF använts för att förstärka behandlingen av rörelsehinder hos patienter med stroke eller rörelsestörningar. Den här artikeln innehåller en steg-för-steg-protokoll för att rikta den primära motoriska cortex med TFF och transkraniell slumpmässigt brus stimulering (TRNS), en särskild form av TAC med hjälp av en elektrisk ström appliceras slumpvis inom ett fördefinierat frekvensområde. Installationen av två olika stimulerings montage förklaras. I båda montages den emitterande elektroden (anoden för TFF) placeras på den primära motoriska cortex av intresse. Förensidig motor cortex stimulering mottagnings elektrod placeras på den kontralaterala pannan medan bilaterala motor cortex stimulering mottagnings elektrod placeras på den motsatta primära motoriska cortex. För- och nackdelar med varje montage för modulering av kortikal retbarhet och motorisk funktion inklusive inlärning diskuteras, samt säkerhet, tolerabilitet och förblindande aspekter.
Introduction
Icke-invasiv elektrisk hjärnstimulering (NEBS), administration av elektriska strömmar till hjärnan genom den intakta skallen, kan ändra hjärnans funktion och beteende 1-3. För att optimera den terapeutiska potentialen hos NEBS strategier förståelse behövs fortfarande de underliggande mekanismer som leder till neurofysiologiska och beteendemässiga effekter. Standardisering av tillämpning i olika laboratorier och full insyn i stimuleringsförfaranden utgör grunden för jämförbara uppgifter som stöder tillförlitlig tolkning av resultaten och utvärderingen av de föreslagna verkningsmekanismer. Transkraniell likström stimulering (TFF) eller transkraniell växelström stimulering (TAC) skiljer sig med parametrar för de tillämpade elektrisk ström: TFF består av en enkelriktad konstant strömflöde mellan två elektroder (anod och katod) 2 – 6 medan TAC använder en växelström tillämpas vid enspecifik frekvens 7. Transkraniell slumpmässigt brus stimulering (Trns) är en speciell form av TAC som använder en växelström appliceras på måfå frekvenser (t ex., 100-640 Hz) resulterar i snabbt varierande stimuleringsnivåer och ta bort polaritet relaterade effekter 4,6,7. Polaritet är endast relevant om inställningen stimulering innefattar en stimulans offset, t.ex. brusspektrum slumpmässigt förändras runt en mA utgångsintensitet (oftast inte används). Vid tillämpningen av den här artikeln kommer vi att fokusera på arbete med TFF och TRNS effekter på motorsystemet, tätt följd av en nyligen publicerad från vårt laboratorium sex.
De bakomliggande mekanismerna för verkan av TRNS är ännu mindre förstås än av TFF men sannolikt skiljer sig från den senare. Teoretiskt, i den konceptuella ramen för stokastisk resonans Trns introducerar stimulering inducerad buller till en neuronal system som kan ge en fördel signalbehandling genom att förändra the signal-brusförhållande 4,8,9. TRNS kan främst förstärka svagare signaler och kunde på så sätt optimera uppgift specifika hjärnaktivitet (endogen buller 9). Anodal TFF ökar kortikala retbarhet anges genom ändring av den spontana neuronhastighet 10 eller ökad motor evoked potential (MEP) amplituder 2 med effekterna outlasting stimuleringstiden i minuter till timmar. Långvariga ökningar i synaptisk effekt kallas långsiktig potentiering tros bidra till inlärning och minne. I själva verket, anod TFF förstärker synaptiska effekten av motor kortikala synapser upprepat aktiveras av en svag synaptiska ingång 11. I enlighet är förbättrad motorik / skicklighet förvärv ofta avslöjas först om stimulering är samtidigt appliceras med motorisk träning 11-13, också tyder på synaptiska co-aktivering som en förutsättning för denna verksamhet beroende process. Ändå orsakssamband mellan ökningar i cortical retbarhet (ökad eldhastighet eller MEP amplitud) å ena sidan och förbättrad synaptisk effekt (LTP eller beteende funktion såsom motorisk inlärning) å andra sidan har inte visats.
NEBS tillämpas på den primära motoriska cortex (M1) har rönt allt större intresse som säker och effektiv metod för att modulera humant motorik en. Neurofysiologiska effekter och beteende resultatet kan bero på stimulering strategin (t.ex. TFF polaritet eller TRNS), elektrodstorlek och montage 4 – 6,14,15. Bortsett från ämnes inneboende anatomiska och fysiologiska faktorer elektroden montage påverkar avsevärt elektriskt fält distribution och kan leda till olika mönster av nuvarande spridnings i cortex 16-18. Förutom intensiteten hos det pålagda strömmen storleken av elektroderna bestämmer den strömtäthet som levereras 3. Gemensamma elektrodmontagei mänsklig motorsystemstudier inkluderar (Figur 1): 1) anod TFF som ensidigt M1 stimulering med anoden placerad på M1 av intresse och katoden placerad på den kontralaterala pannan; den grundläggande idén med denna metod är uppreglering av retbarhet i M1 intressanta 6,13,19 – 22; 2) anodal TFF som bilateral M1 stimulering (även hänvisad till som "bihemispheric" eller "dual" stimulering) med anoden placerad på M1 av intresse och katoden placerad på den kontra M1 5,6,14,23,24; den grundläggande idén med denna metod är att maximera stimulerings fördelar genom uppreglering av retbarhet i M1 av intresse medan nedreglera retbarhet i motsatt M1 (dvs modulering av interhemispheric hämning mellan de två M1s); 3) För TRNS, har endast den ovannämnda ensidiga M1 stimulering montage varit Investigated 4,6; med detta montage retbarhet främjande effekter av TRNS har hittats för frekvensspektrum 100-640 Hz 4. Valet av hjärnstimulering strategi och elektrodmontage representerar ett kritiskt steg för en effektiv och tillförlitlig användning av NEBS i kliniska eller forskningsinställningar. Här dessa tre NEBS procedurer beskrivs i detalj som användes i motorsystemstudier mänskliga och metodologiska och konceptuella aspekter diskuteras. Material för ensidiga eller bilaterala TFF och ensidiga TRNS är samma (Figur 2).
Figur 1. Elektrod montage och strömriktning för olika NEBS strategier. (A) För ensidig anod transkraniell likström stimulering (TFF) är anoden centrerad över den primära motoriska cortex av intresse och katoden placerad över than kontra supra-orbital område. (B) För bilaterala motor cortex stimulering, anod och katod finns vardera över en motor cortex. Läget för anoden bestämmer motoriska cortex av intresse för anodal TFF. (C) För ensidig transkraniell slumpmässigt brus stimulering (TRNS), är en elektrod placerad över motorn cortex och den andra elektroden över den kontralaterala över orbital område. Strömflödet mellan elektroderna indikeras av den svarta pilen. Anod (+, röd), katod (-, blå), växelström (+/-, grön). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver typiska material och procedursteg för modulering av hand motorik och skicklighet lärande med hjälp av NEBS, särskilt ensidiga och bilaterala M1 stimulering för anod TFF och ensidiga TRNS. Innan du väljer en viss NEBS protokoll för en människa motorsystem studie, t ex. I samband med motorisk inlärning, metodologiska aspekter (säkerhet, tolerabilitet, bländande) samt begreppsmässiga aspekterna (montage eller strömtyp specifika effekter på en viss hjärnregion) måste tas me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MC och JR stöds av den tyska Research Foundation (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).
