Транскраниальная постоянного тока Стимулирование и синхронный Функциональная магнитно-резонансная томография

Summary

Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга. Она успешно используется в области фундаментальных исследований и клинических условиях, чтобы модулировать функцию мозга у людей. Эта статья описывает реализацию ТОК и одновременное функциональную магнитно-резонансную томографию (МРТ), чтобы исследовать нейронную основу ТОК эффектов.

Abstract

Транскраниальная постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга, которая использует слабые электрические токи в ведении к коже головы, чтобы манипулировать возбудимости коры и, следовательно, поведение и функции мозга. В последнее десятилетие, многочисленные исследования обратились краткосрочные и долгосрочные последствия ТОК на разных мер поведенческой производительности во время моторных и когнитивных задач, как у здоровых людей, и в ряде различных групп пациентов. До сих пор, однако, мало что известно о нейронных основ ТОК-акции у людей в отношении крупномасштабных сетей головного мозга. Этот вопрос можно решить путем объединения ТОК с функциональными методов визуализации головного мозга, как функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) или электроэнцефалографии (ЭЭГ).

В частности, МРТ является наиболее широко используется метод визуализации мозга, чтобы исследовать нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции. Applicatiна из ТОК во время МРТ позволяет анализ нейронных механизмов, лежащих в основе поведенческих ТОК эффекты с высоким пространственным разрешением по всей мозга. Последние исследования с использованием этого метода определены стимуляции индуцированные изменения в функциональной активности мозга задач, связанных в месте стимуляции, а также в более отдаленных областях мозга, которые были связаны с поведенческой улучшения. Кроме того, ТОК ведении во время отдыха-государственного МРТ позволило идентифицировать распространенных изменений в целом мозга функциональной связности.

Будущие исследования, использующие этот комбинированный протокол должен привести к новому пониманию механизмов ТОК действия в норме и патологии и новые возможности для более целенаправленного применения ТОК в области исследований и клинических условиях. Настоящий рукопись описывает эту технику нового в шаг за шагом моды, с акцентом на технические аспекты ТОК вводимых во МРТ.

Introduction

Транскраниальной постоянного тока стимуляции (ТОК) является неинвазивным методом стимуляции мозга, в котором корковый функционирование модулируется с помощью слабого электрического тока (обычно 1-2 мА) прогнозируемого между двумя скальпа-прикреплены электроды. Физиологически, ТОК индуцирует полярности зависит от сдвига в нейронной мембранный потенциал покоя (RMP) в рамках реализации Целевой зоны коры головного мозга через манипуляции натриевых и кальциевых каналов, тем самым способствуя изменения в возбудимости коры ^1. В частности, анодной стимуляции (atDCS) было показано, увеличить активность коры через деполяризации нейронов RMP в то время как катодная стимуляция (ctDCS) снижает возбудимости коры ^2. По сравнению с другими типами стимуляции мозга (например, транскраниальная магнитная стимуляция) безопасность была хорошо известна и до сих пор никаких серьезных побочных эффектов не поступало даже в уязвимых групп населения ^{3, 4.} Кроме того, по крайней мере для лоинтенсивности WER стимуляции (до 1 мА), эффективным плацебо («ложное») состояние стимуляция существует ^5, что позволяет эффективное ослепление участников и следователей к условиям стимуляции, оказание ТОК привлекательный инструмент в экспериментальных и клинических научных исследованиях.

Многочисленные исследования до сих пор показали, что эти изменения в возбудимости коры может привести к поведенческим модуляций. В двигательной системы, последовательные полярности зависимые эффекты были зарегистрированы ^{1, 6} для обоих atDCS и ctDCS. В когнитивных исследований, большинство исследований, которые нанимали atDCS для повышения когнитивных функций сообщил благотворно влияет на производительность ^7, в то время как ctDCS часто не повлечь за собой снижение когнитивных процессов. Последнее может быть объяснено большей избыточности нейронных вычислительных ресурсов, лежащих в основе познания ^6. Большинство исследований ТОК использовали перекрестный дизайн для изучениянепосредственное воздействие стимуляции, которые переживут прекращение ток только в течение коротких периодов времени ^1. Тем не менее, было высказано предположение, что повторные воздействия стимуляции на синтез белка, т.е. нейронной механизм, лежащий приобретения навыков ^8. Действительно, двигатель или когнитивных успех обучения может быть повышена в сочетании с повторными ТОК сессий и долгосрочная стабильность этих улучшений, как сообщается, длиться до нескольких месяцев у здоровых взрослых ^8-10. Такие результаты также вызвал интерес к использованию ТОК в клинических условиях и предварительные данные позволяют предположить, что он также может быть полезна в качестве основного или адъюнкт подхода к лечению в различных клинических групп ^3. Тем не менее, в то время как относительно большое количество исследований на имя нейрофизиологические эффекты ТОК в системе двигателя, мало известно о лежащих в основе нейронных механизмов ТОК воздействия на когнитивные функции мозга в норме и патологии.Лучшее понимание механизма действия ТОК является необходимым условием для более целенаправленной применения ТОК в области исследований и клинических условиях.

Этот вопрос можно решить путем объединения ТОК с функциональными методов визуализации головного мозга, таких как электроэнцефалография (ЭЭГ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ). Большинство исследований, изучающих нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции выбрали использовать МРТ ^11. В частности, МРТ является наиболее широко используется метод визуализации мозга, чтобы исследовать нервные механизмы, лежащие в основе познания и двигательные функции ^11. Кроме того, в сочетании с одновременным применением ТОК, МРТ позволяет изучение нервных механизмов, лежащих в основе поведенческих эффектов ТОК с более высоким пространственным разрешением по всей мозга по сравнению с ЭЭГ (для последних описаний в сочетании ТОК-ЭЭГ см. Schestatsky соавт. ^12). Настоящий рукопись описывает тыс.е совместное использование ТОК при одновременном МРТ. Это новый метод был успешно использован для изучения нейронных механизмов, лежащих ТОК-индуцированные модуляции моторных и когнитивных функций ^13-19. В будущем, это в сочетании протокол даст новое понимание механизмов ТОК действия в норме и патологии. Понимание влияния ТОК на крупномасштабных нейронных сетей по оценке с этой техникой может заложить основу для более целенаправленного применения ТОК в области исследований и клинических условиях.

Рукопись будет направлена ​​на различия между поведенческими ТОК экспериментов и комбинированного использования ТОК во время одновременного МРТ, с особым упором на требования к аппаратному обеспечению, реализации техники, и из соображений безопасности. В качестве примера, один сессия ТОК вводимых левой нижней лобной извилины (ИФГ) во время проблемно-отсутствует упокоения состоянии (РС) МРТ и во время языкового задачи ^{14, 15 Вт}плохо быть описан, хотя многие другие приложения можно ^{16, 19.} Информация о экспериментального проектирования участников характеристик и процедур анализа данных МРТ были подробно описаны в оригинальных изданиях ^14,15 и выходят за рамки настоящего рукописи. Кроме того, в этих исследованиях, дополнительный МРТ сканирование, что участие обман ТОК была приобретена и по сравнению с результатами сессии atDCS (см. "Представитель Результаты" для подробной информации). Этот сеанс был идентичен тому, что описан в настоящем рукописи, за исключением того, что стимуляция было прекращено до начала сеанса сканирования (см. рисунок 1 для деталей). Настоящая процедура была успешно реализована на сканер 3-Тесла Siemens Трио МРТ на Берлинском Центра Advanced Imaging (Шарите университет медицины, Берлин, Германия), и в принципе должны быть применимы к другим сканеров, а ^13.

Protocol

1. Противопоказания и Особые замечания Тщательно экран участников за МРТ противопоказаний (например, кардиостимуляторы, клаустрофобии и т.д.) и исключить в случае необходимости. Приобретать стандартные вопросники в клинических или исследовательских институтов, которы?…

Representative Results

Функциональная МРТ является наиболее широко используется функциональная метод визуализации учитывать основополагающие нервные механизмы двигателя или когнитивных функций. Совсем недавно, МРТ также используется для оценки влияния на ТОК активности коры и связи. Тем не менее, больши?…

Discussion

Совместное применение ТОК с одновременным МРТ имеет потенциал показано для выяснения нейронных основ непосредственных последствий стимуляции по всей мозга с высоким пространственным разрешением ^13-19. В будущем подобные исследования могут быть дополнены комбинированных исслед…

Materials

DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Germany	21
Hardware extension DC-Stimulator MR (2 MRI compatible rubber electrodes, electrode and box cable and inner filter box; outer filter box and stimulator cable)	NeuroConn, Illmenau, Germany
2 sponge pads for rubber electrodes (7×5 and 10×10 ccm)	NeuroConn, Illmenau, Germany
Rubber head band
NaCL solution
Measurement tape			To determine electrode position using the EEG 10-20 system
Pen			Used during electrode positioning