経頭蓋交流電流刺激オンライン結合による一次運動野の経頭蓋磁気刺激の効果
Summary
経頭蓋交流電流刺激 (tACS) 周波数特異的皮質興奮性の調節ができます。ここで単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) による運動誘発電位皮質興奮性を「プローブ」するためにオンライン tACS を組み合わせたユニークなアプローチを紹介します。
Abstract
経頭蓋交流電流刺激 (tACS) は、特定の周波数の正弦波の電気波形を行動し、ターンでは継続的な皮質振動活動を調節することができる引き起こされる手法です。この neurotool は、内因性の振動活動と行動の因果の設立を許可します。TACS 研究のほとんどは、tACS のオンラインの効果を示しています。ただし、脳波 (EEG) 信号の AC によるアーチファクトのためこのテクニックの基になる作用機序について少し知られています。皮質興奮性の変化をプローブする単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) による一次運動野 (M1) tACS のオンライン生理的特定周波数を調査するためのユニークなアプローチを紹介します。我々 のセットアップで運動誘発電位 (Mep) が収集され、現在進行中の M1 tACS の効果をテストしながら、TMS コイルは tACS 電極上に配置します。これまでのところ、この方法は視覚と運動のシステムを研究する主に使用されています。しかし、現在の tACS TMS セットアップは、認知機能の将来の調査のための道を開くことができます。したがって、手順のステップバイ ステップのマニュアルとビデオのガイドラインを提供します。
Introduction
経頭蓋電気刺激 (tES) は、異なる電流波形1神経状態の変更を可能にする引き起こされる手法です。TES の異なる種類の間で頭蓋交流電流刺激 (tACS) により、特定の周波数範囲における正弦波の外部振動電位の配信と知覚的、生理学的な神経活動の変調運動・認知プロセス2。TACS を使用して、それは律動的内因性神経活動と脳のプロセスとの間の潜在的な因果関係を調査することが可能です。
生体内神経活動をスパイクが電気的応用分野3によるニューロンの興奮を連行することができることを示唆している別の駆動周波数で同期されているが示されています。動物モデルにおける弱い正弦波 tACS ヘアレス広範な皮質神経細胞プール4の放電周波数です。人間、tACS オンライン脳波 (EEG) との組み合わせでは、周波数特異的5脳の振動との相互作用によって律動的内因性神経活動に及ぼす影響いわゆる「同調」の誘導をことができます。ただし、tACS を組み合わせてオンライン メカニズムの理解を深めるための神経画像診断法はまだ疑問 AC 誘導の成果物6」のため。さらに、疑わしいソリューション7であるリング状の電極を使用せず誘導目標エリアに重ねる脳波信号を直接記録不可能します。したがって、このトピックに関する体系的な研究の欠如があります。
今のところ、刺激中止後は tACS の永続的な影響についての明確な証拠はありません。のみいくつかの研究は、運動系8に tACS の弱いで不明瞭な後遺を示しています。また、脳波の証拠はまだ tACS9の後の効果については明らかではないです。その一方で、ほとんどの tACS 研究示した顕著なオンライン効果10、11,12,13,14,15,16,17,18、技術的な制約のために生理学的なレベルで測定することは困難であります。したがって、本手法の全体的な目標は単発経頭蓋磁気刺激 (TMS) を提供することにより大脳皮質 (M1) tACS のオンラインと周波数依存効果をテストするための代替方法を提供します。TMS では、「プローブ」19大脳皮質の生理学的状態の研究者をことができます。さらに、被写体の反対側の手の運動誘発電位 (MEP) を記録することによって、継続的な tACS11の効果を調べることができます。このアプローチにより、こと正確にモニター変更皮質脊髄路の興奮性のアーチファクトのないファッションに異なる周波数でオンライン電気刺激中に MEP の振幅値を測定することによって。さらに、このアプローチは、tES の他の波形のオンラインの効果もテストできます。
複合 tACS TMS の効果を示すためには、我々 が表示されますプロトコル一次運動野 (M1) 以上 20 Hz AC 刺激を適用することによってオンライン neuronavigated 単発 TMS が配信される 3 から 5 のランダムな間隔で散在しながら M1 をテストするために s皮質興奮性。
Protocol
Representative Results
Discussion
この方法は、直接 Mep が記録を通して皮質の出力を測定することにより一次運動野の tACS のオンラインの効果をテストするためのユニークな機会を表しています。ただし、tACS 電極上 TMS コイルの配置は、正確に実行する必要があります重要なステップを表します。したがって、実験者単一パルス TMS によるターゲット ポイントを見つける頭皮にマークし、ホット スポット上 tACS 電極の場所そ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この調査はロシア科学財団によってサポートされた付与 (契約番号: 17-11-01273)。アンドレイ Afanasov とビデオ録画およびビデオ編集用の多機能テレビ テクニクス (ロシア連邦国立研究大学より高い経済学モスクワ) イノベーション センターから同僚に感謝します。
Materials
| BrainStim, high-resolution transcranial stimulator | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-BRAINSTIM | |
| Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodes | E.M.S., Bologna, Italy | EMS-CVBS15 | |
| Reusable conductive silicone electrodes 50x50mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG970/2 | |
| Reusable spontex sponge for electrode 50x100mm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG916S | |
| Rubber belts – 75 cm | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-ER-PG905/8 | |
| Plastic non traumatic button | E.M.S., Bologna, Italy | FIA-PG905/99 | |
| Brainstim | E.M.S., Bologna, Italy | ||
| MagPro X100 MagOption – transcranial magnetic stimulator | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0731 | |
| 8-shaped coil MC-B65-HO-2 | MagVenture, Farum, Denmark | 9016E0462 | |
| Chair with neckrest | MagVenture, Farum, Denmark | 9016B0081 | |
| Localite TMS Navigator – Navigation platform, Premium edition | Localite, GmbH, Germany | 21223 | |
| Localite TMS Navigator – MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi) | Localite, GmbH, Germany | 10226 | |
| MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1 | Localite, GmbH, Germany | 5221 | |
| Electrode wires for surface EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| Surface Electrodes for EEG/EMG | EBNeuro, Italy | 6515 | |
| BrainAmp ExG amplifier – bipolar amplifier | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| BrainVision Recorder 1.21.0004 | Brain Products, GmbH, Germany | ||
| Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Company, USA | ||
| Syringes | |||
| Sticky tape | |||
| NaCl solution |
References
- Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
- Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum. Neurosci. 7, 279 (2013).
- Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
- Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
- Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
- Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
- Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527 (2016).
- Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
- Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311 (2015).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
- Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
- Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
- Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090 (2015).
- Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
- Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
- Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54 (2015).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
- Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
- Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39 (2012).
- Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
- Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).
