Эффекты переменного тока транскраниальной стимуляции на первичной моторной коры, онлайн комбинированный подход с транскраниальная магнитная стимуляция
Summary
Переменного тока транскраниальной стимуляции (ОДУ) позволяет модуляции корковой возбудимости частоты конкретным образом. Здесь мы покажем уникальный подход, который сочетает в себе онлайн tACS с одного импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) для того, чтобы «зонд» корковой возбудимости посредством мотор Evoked потенциалов.
Abstract
Переменного тока транскраниальной стимуляции (ОДУ) — это метод neuromodulatory может действовать через синусоидального электрических сигналов в определенной частоты и в свою очередь модулировать текущей деятельности коры головного мозга колебательной. Эта neurotool позволяет установление причинно-следственной связи между эндогенного колебательного действия и поведение. Большинство исследований tACS показали онлайн эффекты ОДУ. Однако мало что известно о базовых механизмов действий этой техники из-за AC-индуцированной артефактов на сигналы электроэнцефалография (ЭЭГ). Здесь мы покажем уникальный подход к расследованию онлайн физиологические эффекты частоты конкретных tACS первичной моторной коры (M1) с помощью единого импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) для проверки изменений корковой возбудимости. В нашей установки TMS катушки размещается над электродом tACS пока мотор Evoked потенциалов (MEP) собираются проверить последствия продолжающегося M1-ОДУ. До настоящего времени этот подход главным образом используется для изучения систем визуального и мотор. Однако текущие установки ПВР TMS может проложить путь для будущих расследований когнитивных функций. Таким образом мы предоставляем пошаговые руководства и видео руководства для процедуры.
Introduction
Транскраниальной электростимуляции (ТЭС) — это метод neuromodulatory, который позволяет изменение нейрональных государств через различные текущей волны1. Среди различных видов tES транскраниальной стимуляции переменного тока (ОДУ) позволяет доставки синусоидального внешних колебательной потенциалов в конкретной полосе частот и модуляции физиологической нейронной активности лежащие в основе восприятия, Мотор и когнитивных процессов2. С помощью ОДУ, можно исследовать потенциальные причинно-следственных связей между процессами мозга и эндогенных колебательной деятельности.
В естественных условиях, было показано, что пики нейронной активности синхронизируются на разных частотах вождения, предполагая, что нейронов стрельбы можно увлекаемого электрически прикладных областях3. В моделях животных слабая синусоидального tACS захватывает разряженные частота широко корковых нейронов бассейн4. В организме человека ПВР, в сочетании с онлайн электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет индукции так называемого эффекта «Увлечения» на эндогенные колебательной активность, взаимодействуя с мозга колебания частоты конкретным способом5. Однако сочетая tACS с нейровизуализационных методов для лучшего понимания механизмов онлайн сомнительна по-прежнему из-за AC-индуцированной артефакты6. Кроме того невозможно напрямую записывать сигнал ЭЭГ над стимулировали целевой области без использования кольцо как электрод, который является сомнительной решения7. Таким образом есть отсутствие систематических исследований по этой теме.
Пока есть нет четких свидетельств о долгосрочных последствий tACS после прекращения стимуляции. Лишь немногие исследования показали слабые и неясными последствия ОДУ на двигательной системы8. Кроме того до сих пор не ясно, о последствия tACS9ЭЭГ доказательств. С другой стороны большинство tACS исследования показали выдающиеся онлайн эффекты10,11,12,13,14,,1516 , 17 , 18, который трудно измерить на физиологическом уровне из-за технических ограничений. Таким образом общая цель нашего метода является предоставить альтернативный подход к тест онлайн и частотно зависимые эффекты ОДУ на моторной коры (M1) путем предоставления единого импульса транскраниальной магнитной стимуляции (TMS). TMS позволяет исследователям «зонд» физиологического состояния человека моторной коры19. Кроме того путем записи мотор Evoked потенциалов (MEP) на контралатеральной руке субъекта, мы можем исследовать последствия продолжающегося tACS11. Этот подход позволяет нам точно монитор изменения в возбудимости кортикоспинальных путем измерения амплитуды MEP во время онлайн электрической стимуляции, доставлены на разных частотах в бездефектной моды. Кроме того этот подход также можно проверить онлайн эффекты любой другой волны tES.
Чтобы продемонстрировать эффекты комбинированных ПВР TMS, мы будем показывать протокола путем применения стимуляции 20 Гц переменного тока над первичной моторной коры (M1) во время одного импульса онлайн neuronavigated TMS поставляется чередующиеся случайные интервалы времени от 3 до 5 s для того чтобы проверить M1 корковой возбудимости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот подход представляет собой уникальную возможность непосредственно проверить онлайн эффекты tACS первичной моторной коры, измеряя кортикоспинальных вывода через MEPs записи. Однако размещение TMS катушки над электродом tACS представляет важный шаг, который должен выполняться точно. Так?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Российский научный фонд Грант (контракт номер: 17-11-01273). Особая благодарность Андрей Afanasov и его коллеги из многофункционального центра инноваций для телевизионной техники (Национальный исследовательский университет, высшая школа экономики, Москва, Российская Федерация) для записи видео и редактирования видео.
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).
