经颅交感刺激(tACS)是脑振荡无创检测的有前途的工具,尽管其影响尚未完全清楚。本文介绍了一种安全可靠的设置,可与功能磁共振成像同时应用tACS,从而增强理解振荡脑功能和tACS的作用。
经颅交流刺激(tACS)是脑振荡无创检测的有前景的工具。 TACS通过用表面电极施加到头皮上的电流对人脑进行频率特异性刺激。最新的技术知识是基于行为研究;因此,将该方法与脑成像结合起来有可能更好地了解tACS的机制。由于电气和敏感性伪影,将tACS与脑成像结合可能是具有挑战性的,然而,一种非常适合与tACS同时使用的脑成像技术是功能性磁共振成像(fMRI)。在我们的实验室,我们已经成功地将tACS与fMRI同步测量结合在一起,以表明tACS效应是状态,电流和频率依赖性的,脑活动的调节不限于电极正下方的区域。本文介绍了一个安全可靠的集合用于与视觉任务fMRI研究同时应用tACS,这可以帮助理解振荡脑功能以及tACS对脑的影响。
经颅交感刺激(tACS)是一种非侵入性的脑刺激技术,有望在健康人群中调查神经振荡和频率特异性脑功能,并研究和调节临床人群的振荡1 。使用放置在头皮上的两个或多个导电电极,将低电流(1-2mA峰 – 峰)正弦波以期望的频率施加到脑,以与正在进行的神经振荡相互作用。 TACS研究已经测量了频率和任务特定的行为或认知调节,包括但不限于运动功能2 ,工作记忆性能3 ,躯体功能障碍4和视觉感知5,6,7 。以非侵入性方式应用交流电流也导致功能改善神经系统的患者,如帕金森氏症的震颤减少8 ,改善视神经病变9 ,提高卒中后的言语,感觉和运动恢复率10 。尽管越来越多的研究使用tACS进行研究,并证明其在临床环境中的治疗潜力,但是这种技术的效果并没有被充分表征,其机制尚未完全明了。
模拟和动物研究可以在控制条件11,12的细胞或神经网络水平下提供交流电刺激的影响,但鉴于有效刺激技术13,14的状态依赖性,这些研究并没有揭示整个图像。结合tACS与神经成像技术例如脑电图(EEG) 15,16,17 ,脑电图(MEG) 18,19,20或功能磁共振成像(fMRI)21,22,23,24可以通知脑功能的系统级调制。然而,每种组合都带来技术挑战,主要是由于感兴趣的频率测量中的刺激引起的伪影15 。虽然fMRI的时间分辨率不能匹配脑电图或MEG测量,但其在皮质和皮质下脑区域的空间覆盖和分辨率是优越的。
最近,在组合的tACS-fMRI研究中,我们显示tACS对血氧饱和度的影响d用fMRI测量的后验(BOLD)信号是频率和任务特定的,并且刺激不一定直接在电极下方发挥其最大的效果,而是在远离电极22的区域中 。在下面的研究中,我们调查了tACS电极位置和频率对网络功能的影响,使用低频波动和休眠状态功能连通性的幅度,包括使用最直接刺激区域的相关种子,从基于主题的电流密度模拟。在本研究中最为显着的是,α(10Hz)和γ(40Hz)刺激通常在网络连接或区域调制中引起相反的影响。另外,最受影响的休息状态网络是左前额叶控制网络。这些研究强调了使用功能磁共振成像确定最佳参数的潜力mulation。此外,它们有助于证明,除了受控参数,如任务条件和时间,刺激频率和电极位置之外,还存在影响tACS成功的受试者特异性因素。在优化刺激参数中转化为不可控变量的主题特征的例子是内在功能连接性,内源性振荡峰值频率( 例如 ,单个α频率)以及颅骨和皮肤厚度25 。考虑到目前关于tACS的文献,需要更多的研究结合tACS与神经影像学等神经测量,以建立有效的脑刺激技术的综合程序。
在这里,我们描述了一个安全可靠的设计,用于与视觉任务的fMRI同时应用tACS的实验,重点放在成功同步tAC的设置和执行方面S具有无伪影的fMRI数据采集。
在这里,我们描述了使用MR兼容的tACS系统同时进行tACS-fMRI实验设置和执行的过程。该过程中的一些步骤需要特别注意,特别是关于主题设置。本实验中使用的MR兼容刺激器和设置仅在电缆,滤波器和电极上具有约12kΩ的最小阻抗,制造商建议使用电极连接到被摄体的20kΩ最小阻抗;这个要求取决于刺激产品和制造商。当向受试者施加电极时,如果阻抗太高,则除了按压电极之外,可以采取一些步骤来减小该值。例如,在将电极压在头皮上之前,首先用包括毛发在内的电极凝胶覆盖头皮上的标记和清洁的位置可能更容易。这将确保电流分布在非导电材料上;然而,注意将电极凝胶覆盖度限制在与电极大致相同的表面积,以将电流扩散到所需的刺激区域。如果电极靠近在一起,由于电极之间的电流分流可能通过多余的电极凝胶接触而发生,因此要特别注意。如果电极位于头部背面,受试者将直接放置在其上,必须特别注意将枕头放在头后面,使得受试者不会随着实验的进行而变得不舒服;这种不适可能不是最初的问题的问题,但是经验表明痛苦随着时间的推移而增加。此外,与所有fMRI实验一样,受试者运动引起了有问题的混淆,因此重要的是该对象对所有的电缆和电极都适合使用。
要考虑的设置的最重要的方面是可能引入的噪声到可以引起图像伪像和失真的MR环境。在实验之前,使用整个tACS设置来测试图像伪影是谨慎的。可以使用正常的球形体模,用电极凝胶固定电极。提供电流在电极之间行进的一些方法是重要的,这可以通过在从一个电极到另一个电极的路径中施加大量的电极凝胶来实现。按照计划进行整个实验,包括频率和电流等参数变化。在扫描会话期间,在MR扫描仪控制计算机上的图像查看器中将对比度和窗口调整到极限值可以更容易地进行视觉检测。当在实验之前和实验期间可视地监测噪声时,作为示例,噪声可能发生在具有高强度的图像中的尖峰,不应该测量信号的模式或随时间变化的强度。用RF激励获取fMRI数据关闭n个脉冲,在扫描期间提供有关扫描仪环境噪声的信息,而无需获取实际的图像信号( 见图2 )。这种噪声测试可以在每次扫描会话中完成。如果噪音有变化,请检查所有电缆是否完好无损,并且与刺激器,电极和过滤器盒连接良好。没有电缆应该环绕。噪声或变形可能源于电缆断裂,橡胶中有金属污染物的电极(尽管出售为MR兼容),以及其他可能的故障连接。刺激器是电池驱动的,以最小化设置中的电噪声;确保在每次实验之前充分充电,并在整个实验中保持连接。功能图像中的TSNR将在刺激器连接的情况下降低约5%,然而,值应在刺激条件下稳定22 。同时经颅电刺激 – fMRI测试on个尸体已经表明,没有与交流电刺激相关的伪像,这与直流电刺激相比是一个优势30 。从理论上说,这种缺乏伪像可以通过图像采集时的净电流为零来解释30 。然而,对于我们实验室进行的一些实验,采集时间或TR不是刺激频率的倍数。在进行本协议中提到的噪声测试并检查不可见的人为因素的图像之后,我们得出结论,净电流与零点的任何差异都很小,也可忽略不计,从而导致伪影。
成功实验的另一个关键点是演示计算机接收扫描仪的触发输出,并且刺激器从演示计算机接收触发器。在实验之前,使用th进行视觉刺激设计和时序的编程所需的软件。该程序必须使用触发器将视觉刺激显示与MR扫描仪和刺激器同步;它以从MR扫描仪输出的触发信号启动,并且在所需的刺激时间内将输出触发信号发送到刺激器。在设置期间检查触发通信的简单方法是使用附带BNC电缆的示波器将扫描仪触发输出以及演示计算机输出。在我们的设置中,MR扫描仪为所获取的每个功能音量输出触发(切换),演示计算机通过演示软件输入信号。精心设计的实验的分析主要依靠适时的刺激。
本实验的一些步骤可能需要进行实验室设置要求的调整。例如,这个设置描述了使用投影仪和镜子进行视觉刺激呈现,然而视觉刺激方式输入装置可以是基于实验和实验室偏好或限制选择的MR安全液晶显示护目镜或MR安全监视器。此外,MRI扫描参数应适合实验。值得注意的是,应该注意适当选择tACS的实验控制,尽管不存在直接的答案。 30秒的短暂的假手术刺激可以模拟由tACS诱导的体细胞增生,其最终在延长的刺激下减少;然而,一些研究表明,甚至短时间的刺激可以诱导振荡夹带12 。可用于tACS的另一个可能的控制是使用非有效频率,或换句话说,与感兴趣的频率不同的频率来刺激。这里的例外情况是,生长激素和磷光体感知根据刺激频率31而变化。最后,关于刺激的主观经验因此,为了最佳地捕获受试者的变异性,考虑使用详细的评估系统进行磷光感知,并花费一些时间与受试者描述磷光体的各种特征( 如位置,强度)可以出现,使受试者可以在刺激期间仔细评估他或她的经验32,33 。
这里显示的代表性结果表明,tACS效应是电流依赖性的,频率依赖性的,并且该调制不限于电极下方的区域,而是延伸到可能的功能连接区域。该技术的一个限制是fMRI以及BOLD响应的时间分辨率。数据采集和血液动力学反应不如脑的刺激频率或电活动那么快,所以与频率的直接相互作用tACS的特异性效应无法测量。然而,考虑到tACS效应的科学文献的最大份额是行为研究,并且tACS显着影响整个复杂的神经系统,很明显,同时tACS-fMRI实验可以提供给我们关于tACS效应的信息大脑。 EEG和MEG提供了与神经活动相匹配的时间分辨率水平的见解。然而,EEG和MEG受到空间分辨率和皮质深度限制或计算密集型源重建技术的困扰。在相同频率下记录的兴奋的脑信号的刺激频率和谐波伪影进一步使EEG和MEG分析复杂化。创新的解决方法已被应用于解决其中的一些挑战。 Helfrich等人采用了一种新技术,使用伪像模板减法和主成分分析来从EEG数据中去除tACS伪影15 </s了>。他们表明,10 Hz tACS应用于枕叶枕骨上增加了顶叶和枕叶皮质中的α活性,并诱导在相似固有频率下起作用的皮质振荡器中的同步。 Witkowski及其同事应用幅度调制tACS,并成功构建了夹带脑震荡的基于MEG的皮质图。为了更好地理解正常和异常的大脑功能,最终临床诊断或治疗应用tACS,目标是将tACS应用于脑电图,脑电图和功能磁共振成像,以互补建立可定制的特定期望效果的最佳实践专门针对个人。当建立这种做法时,可以进行有效的调查,以更好地了解神经振荡的功能( 例如 ,明确定义不同频带的功能角色和关系)及其与tACS的调制(例如,机制是否通过夹带或塑性变化而发生35 )。
考虑到未来的发展方向,这里描述的设置适用于研究感知或认知的功能磁共振成像实验,如这里描述的运动结构研究和其他研究所所展示的。 Cabral-Calderin及其同事表明,枕视皮质区域的激活取决于视频观察与手指敲击实验22中的任务和tACS频率。在同时进行的tACS静息状态下的fMRI研究中,Cabral-Calderin及其同事显示tACS对内在功能连接和静息状态网络的频率依赖性影响。 Vosskuhl 等人组合tACS和功能磁共振成像在单个α频率刺激下的视觉警戒任务期间显示BOLD降低24 。 Alekseichuk及其同事表示,即时后遗症10Hz tACS在方格环和楔形物的视觉感知期间调制BOLD信号,表明被动感知任务36的神经代谢的变化。这些研究为同时进行的tACS-fMRI研究设定了探索从代谢到认知的许多水平的功能机制的阶段。在使用tACS进行翻译研究的这种早期阶段,同时进行tACS-fMRI实验有可能增加对刺激技术和振荡对认知功能的贡献的理解。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢Ilona Pfahlert和Britta Perl在功能成像实验期间的技术帮助,SeverinHeumüller提供卓越的电脑支持。这项工作得到了Herman和Lilly Schilling基金会以及大脑纳米显微镜和分子生理学中心(CNMPB)的支持。
None | |||
DC-Stimulator MR | NeuroConn, Ilmenau, Germany | includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications. | |
3 tesla Tim Trio MR scanner | Siemens, Erlangen, Germany | ||
presentation computer | |||
presentation software (e.g., Matlab) | The Mathworks, Natick, USA | ||
shielded LAN cable | |||
projector | InFocus Corporation, Wilsonville, USA | IN-5108 | |
Ten20 Electrode Paste | Weaver and Co., Aurora, USA | ||
EEG cap – EASYCAP 32-channel system | Brain Products GmbH, Germany | ||
tape measure | |||
marker | |||
pillows | |||
button response box | Current Designs, Philadelphia, USA | ||
isopropyl alcohol | |||
cotton pads | |||
tape | |||
MR-safe sand bags | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe mirrors | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe screen | can be built in local machine shop to fit site-specific parameters | ||
E-A-Rsoft ear plugs | 3M, Bracknell, UK |