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행동분석학

Non-Invasive Elétrica Estimulação Cerebral Montages de Modulação da motricidade humana

Published: February 04, 2016
doi:
10.3791/53367
, ,
1Department of Neurology,Albert Ludwigs University Freiburg

Summary

a estimulação elétrica cerebral não invasiva pode modular a função cortical e comportamento, tanto para fins clínicos e de pesquisa. Este protocolo descreve diferentes abordagens estimulação cerebral para a modulação do sistema motor humano.

Abstract

Não-invasivo de estimulação eléctrica do cérebro (NEB), é usado para modular a função cerebral e comportamento, tanto para fins de investigação e clínicos. Em particular, NEBS pode ser aplicada via transcraniana quer como estimulação de corrente contínua (ETCC) ou alternados de estimulação actual (TAC). Estes tipos de estimulação exercem tempo-, dose e, no caso de efeitos específicos de polaridade ETCC sobre a função motora e habilidade de aprendizagem em indivíduos saudáveis. Ultimamente, ETCC foi usado para aumentar o tratamento de deficiências motoras em pacientes com distúrbios de acidente vascular cerebral ou movimento. Este artigo fornece um protocolo passo-a-passo para a segmentação do córtex motor primário com ETCC e estimulação transcraniana ruído aleatório (TRNS), uma forma específica de TAC usando uma corrente elétrica aplicada aleatoriamente dentro de uma faixa de frequência pré-definida. A configuração de duas montagens de estimulação diferentes é explicado. Em ambas as montagens do eléctrodo emissor (o ânodo para ETCC) é colocado sobre o córtex motor primário de interesse. Paraestimulação do córtex motor unilateral receber o eléctrodo é colocada sobre a testa contralateral enquanto que para a estimulação bilateral córtex motor receber o eléctrodo é colocada sobre a frente do córtex motor primário. As vantagens e desvantagens de cada montagem para a modulação da excitabilidade cortical e função motora incluindo a aprendizagem são discutidos, bem como a segurança, tolerabilidade e os aspectos que causam cegueira.

Introduction

Estimulação não-invasiva elétrica cerebral (NEBS), a administração de correntes elétricas para o cérebro através do crânio intacto, pode modificar a função cerebral eo comportamento 1-3. Para optimizar o potencial terapêutico de estratégias NEBS compreender os mecanismos subjacentes que levam a efeitos comportamentais e neurofisiológicos ainda é necessário. Padronização de aplicação em diferentes laboratórios e total transparência do procedimento de estimulação fornece a base para a comparabilidade dos dados que suporta interpretação confiável de resultados e avaliação dos mecanismos de ação propostos. A estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) ou transcraniana alternando corrente de estimulação (TAC) diferem por parâmetros da corrente eléctrica aplicada: ETCC consiste de um fluxo de corrente constante unidireccional entre dois eléctrodos (ânodo e cátodo) 2 – 6 TAC enquanto utiliza uma corrente alternada aplicada numafrequência específica 7. Estimulação transcraniana ruído aleatório (TRNS) é uma forma especial de TAC que usa uma corrente alternada aplicada em frequências aleatórias (por exemplo., 100-640 Hz), resultando em rápida diferentes intensidades de estimulação e remoção de efeitos relacionados com a polaridade 4,6,7. Polaridade só é relevante se a configuração de estímulo inclui uma estimulação offset, por exemplo, espectro de ruído aleatoriamente mudando em torno de um mA intensidade da linha de base +1 (normalmente não utilizada). Para efeitos deste artigo, vamos nos concentrar no trabalho usando ETCC e efeitos TRNS no sistema motor, seguindo de perto a recente publicação de nosso laboratório de 6.

Os mecanismos de acção subjacentes de trnS são muito menos entendida do que de ETCC mas provavelmente diferente do último. Teoricamente, no quadro conceitual de ressonância estocástica TRNS introduz ruído induzido pelo estímulo a um sistema neuronal que pode fornecer um benefício de processamento de sinal, alterando the sinal-ruído 4,8,9 proporção. TRNS pode predominantemente amplificar os sinais mais fracos e poderia, assim, otimizar a atividade cerebral de tarefas específicas (ruído endógeno 9). ETCC anódica aumenta a excitabilidade cortical indicada pela alteração da taxa de disparo neuronal espontânea 10 ou aumento do potencial evocado motor (MEP) amplitudes 2 com os efeitos superando a duração estímulo para minutos a horas. aumentos de longa duração na eficácia sináptica conhecido como potenciação de longo prazo são pensados ​​para contribuir para a aprendizagem e memória. Na verdade, ETCC anódica aumenta a eficácia sináptica de automóveis sinapses corticais repetidamente activados por uma fraca entrada sináptica 11. Em conformidade, a aquisição melhorou função motora / habilidade é sempre revelada somente se a estimulação é co-aplicado com treinamento motor 11 – 13, sugerindo também co-activação sináptica como pré-requisito deste processo dependente de atividade. No entanto, a causalidade entre o aumento em cexcitabilidade ortical (aumento da taxa de disparo de amplitude ou MEP) por um lado e melhorou a eficácia sináptica (PLP ou função comportamental, tais como aprendizagem motora), por outro lado não foi demonstrada.

NEBS aplicadas ao córtex motor primário (M1) tem atraído um interesse crescente como método seguro e eficaz para modular a função motora humana 1. Efeitos neurofisiológicos e resultado comportamental pode depender da estratégia de simulação (por exemplo, polaridade ETCC ou TRNS), tamanho do eletrodo e da montagem 4 – 6,14,15. Além de fatores anatômicos e fisiológicos sujeitas-inerente a montagem eletrodo influencia significativamente a distribuição de campo elétrico e pode resultar em diferentes padrões de corrente espalhando dentro do córtex 16-18. Além disso a intensidade da corrente aplicada ao tamanho dos eléctrodos determina a densidade de corrente entregue 3. montagens de eletrodos comumem estudos do sistema motor humano incluem (Figura 1): 1) como a estimulação anódica ETCC M1 unilateral com o ânodo colocado sobre o M1 de interesse e o cátodo posicionado na testa contralateral; a idéia básica dessa abordagem é sobre-regulação da excitabilidade no M1 de interesse 6,13,19 – 22; 2) ETCC anódica como estimulação M1 bilateral (também referido como estimulação "bihemispheric" ou "dupla"), com o ânodo colocado sobre o M1 de interesse e o cátodo posicionado no M1 contralateral 5,6,14,23,24; a idéia básica dessa abordagem é maximizar os benefícios da estimulação pela regulação positiva da excitabilidade no M1 de interesse, enquanto downregulating excitabilidade no M1 oposto (ou seja, a modulação da inibição inter-hemisférica entre os dois M1s); 3) Para TRNS, apenas o unilateral M1 estimulação montagem acima indicado foi Investigated 4,6; com este excitabilidade montage efeitos da TRNS reforço foram encontrados para o espectro de 100-640 Hz 4 frequência. A escolha da estratégia de estimulação cerebral e montagem eletrodo representa um passo fundamental para uma utilização eficiente e confiável de NEBS em ambientes clínicos ou de investigação. Aqui estes três procedimentos NEBS são descritos em detalhes como usado em estudos do sistema motor humano e são discutidos aspectos metodológicos e conceituais. Materiais para ETCC unilaterais ou bilaterais e unilaterais TRNS são os mesmos (Figura 2).

figura 1
Figura 1. montagens de eletrodos e direção da corrente de estratégias NEBS distintas. (A) Para anodal unilateral transcraniana estimulação de corrente contínua (ETCC), o ânodo é centrada sobre o córtex motor primário de interesse e o cátodo posicionado sobre tele contralateral área supra-orbital. (B) Para estimulação do córtex motor bilateral, ânodo e cátodo estão localizados cada um mais de um córtex motor. A posição do ânodo determina o córtex motor de interesse para ETCC anódica. (C) Para a estimulação transcraniana ruído aleatório unilateral (trnS), um eléctrodo está localizado sobre o córtex motor e o outro eléctrodo através da zona supra-orbital contralateral. O fluxo de corrente entre os eléctrodos é indicado pela seta preta. Ânodo (+, vermelho), catodo (-, azul), corrente alternada (+/-, verde). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

Declaração de ética: Estudos em humanos exigem o consentimento informado por escrito dos participantes antes da entrada no estudo. Obter a aprovação pelo comitê de ética relevantes antes de recrutamento de participantes. Fazer estudos certeza que estão em conformidade com a Declaração de Helsinki. Os resultados representativos aqui relatados (Figura 4) são baseadas em um estudo realizado em conformidade com a Declaração de Helsínquia alterada pela 59ª Assembléia Geral da WMA, Seul…

Representative Results

Para investigar os efeitos da NEBS sobre o sistema motor humano, é importante considerar medidas de resultados apropriados. Uma vantagem do sistema do motor é a acessibilidade das representações corticais por ferramentas electrofisiológicos. Motor potenciais evocados são frequentemente utilizadas como um indicador da excitabilidade cortical motor. Após a aplicação de 9 ou mais minutos de ETCC anódica, a uma densidade de corrente de 29 mA / cm 2, cortical do motor exc…

Discussion

Este protocolo descreve materiais típicos e passos processuais para modulação da função motora da mão e habilidade de aprendizagem utilizando NEBS, especificamente unilateral e bilateral estimulação M1 para anodal ETCC, e TRNS unilaterais. Antes de escolher um protocolo NEBS particular para um estudo do sistema motor humano, por exemplo., No contexto da aprendizagem motora, aspectos metodológicos (segurança, tolerabilidade, cegando), bem como aspectos conceituais (montagem ou o tipo de corrente efeito…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MC e JR são suportados pela Fundação Alemã de Pesquisa (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
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Keywords: Non-invasive Electrical Brain StimulationMotor FunctionNeuroplasticityMotor SystemPre-frontal CortexVisual CortexElectromyographyEMGMagnetic StimulatorTMS CoilMotor Evoked PotentialsMEP
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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).
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