Transkraniell direktströmsstimulering (tDCS) för minnesförbättring

Summary

Ett protokoll för minnesförbättring genom att använda transkraniell likström stimulering (tDCS) som riktar dorsolateral prefrontal och bakre parietal cortices, som kärna ur när noder inom hippocampo-när nätverk, presenteras. Protokollet har utvärderats väl i studier med friska deltagare och gäller även åldrande- och demensforskning.

Abstract

Minnesförbättring är en av de stora utmaningarna inom kognitiv neurovetenskap och neurorehabilitering. Bland olika tekniker som används för minnesförbättringar framträder transkraniell likströmsstimulering (tDCS) som ett särskilt lovande verktyg för förbättring av minnesfunktioner på ett icke-invasivt sätt. Här presenterar vi ett tDCS-protokoll som kan tillämpas för minnesförbättring i friska deltagarstudier samt i åldrande- och demensforskning. Protokollet använder svag konstant anodal ström för att stimulera när mål inom Cortico-Hippocampal funktionella nätverk engagerade i minnesprocesser. Målelektroden placeras antingen på den bakre parietalbarken (PPC) eller dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), medan returelektroden placeras extracranially (dvs. på den kontralaterala kinden). Dessutom beskriver vi en mer avancerad metod för oscillatoriska tDCS, härma en naturlig hjärnrytm för att främja hippocampus-beroende minnesfunktioner, som kan tillämpas på ett personligt och icke-personligt sätt. Vi presenterar belysande resultat av associativ och fungerande minne förbättring efter enskilda tDCS sessioner (20 minuter) där de beskrivna elektrod montage användes med aktuella intensiteter mellan 1,5 mA och 1,8 mA. Slutligen diskuterar vi avgörande steg i protokollet och metodbeslut som måste fattas när vi utformar en tDCS-studie om minne.

Introduction

Minnet spelar en viktig roll i vardagen eftersom det gör det möjligt för en att komma ihåg information om människor och platser, minnas tidigare händelser, lära sig nya fakta och färdigheter samt att göra bedömningar och beslut. Här fokuserar vi på två typer av minne – arbetsminne (WM) och associativt minne (AM). WM ger oss möjlighet att tillfälligt underhålla och lagra information för pågående kognitiv^{bearbetning 1}, medan AM gör det möjligt för oss att komma ihåg flera erfarenheter eller information som är bundna till varandra. Därför understryker dessa två typer av minne nästan alla dagliga aktiviteter. Tyvärr är minnet en av de mest sårbara funktionerna eftersom det minskar med normalt åldrande samt på grund av olika patologiska tillstånd och tillstånd. Både WM och AM nedgång är framträdande i mild kognitiv svikt^2,3 och demens^4,5 samt i normalt åldrande^6,7. Eftersom minnesunderskott är förknippade med en hög sjukdomsbörda^{nivå 8,9} och väsentligt påverkar^{livskvaliteten 10,11,12,13}, finns det ett växande behov av nya metoder för förebyggande och behandling av minnesnedgång.

Transkraniell likströmsstimulering (tDCS) är ett lovande verktyg för att hantera minnesnedgång^14,15,16 och få bättre förståelse för hjärnfunktioner i allmänhet¹⁷. tDCS är en icke-invasiv hjärnstimuleringsteknik som använder svaga elektriska strömmar (vanligtvis mellan 1 mA och 2 mA) för att modulera hjärnaktivitet genom att påverka neuronal membran excitabilitet. Effekterna av tDCS är polaritetsberoende, så att anodal stimulering ökar medan katodala minskar neuronal excitabilitet. Nämligen ökar anodal tDCS sannolikheten för att åtgärder kan avfyras genom depolarisering av neuronala membran, vilket underlättar spontan hjärnaktivitet under^{anoden 18}. Dessutom visas att effekten av ökad aktivering inte förblir lokaliserad men tenderar att sprida sig till andra funktionellt anslutna områden i centrala nervsystemet. Anodal tDCS förväntas därmed främja kognitiva funktioner som förlitar sig på riktade hjärnregioner och funktionellt sammankopplade hjärnområden, medan katodala tDCS förväntas ha motsatt effekt.

TDCS har flera fördelar jämfört med andra hjärnstimuleringstekniker: (1) tDCS är säkert, dvs. utgör inte hälsorisker och ger inga negativa strukturella eller funktionella förändringar på kort eller lång^{sikt 19}; (2) tDCS kännetecknas av högsta tolerabilitet bland hjärnans stimuleringstekniker eftersom det orsakar minimalt obehag för deltagarna i en form av en mild stickande och klåda känslor under de stimulerande^{elektroderna 20;} (3) tDCS är kostnadseffektivt – priset på tDCS-enheter och applikationen är tio till hundra gånger lägre än andra behandlingsalternativ, vilket gör det attraktivt för patienter och hälso- och sjukvårdssystem. (4) tDCS är lätt att använda och har därför stor potential att tillämpas även i hembaserade miljöer, vilket kan leda till högre efterlevnad av patienter och minskade kostnader för medicinsk personal och anläggningar.

De största utmaningarna för att använda tDCS för minnesförbättring är att hitta det optimala elektrodmontage- och stimuleringsprotokollet som kommer att ge tillförlitliga effekter på minnet. Här använder vi termen elektrodmontage för att hänvisa till elektrodernas konfiguration och positioner (dvs. placeringen av målet och referenselektroden ( retur). På grund av de elektriska fältens natur är referenselektroden (retur) inte neutral – den har polariteten motsatt målelektroden – och kan därmed också utöva biologiska (neuromodulerande) effekter på den underliggande neuralvävnaden. Därför är noggrant val av referenselektrod avgörande för att undvika oönskade ytterligare effekter av stimuleringen.

När vi använder termen stimuleringsprotokoll hänvisar vi till tDCS-parametrarna som varaktigheten och intensiteten av den ström som tillämpas samt hur strömintensiteten förändras över tiden (dvs. om intensiteten är konstant under hela stimuleringen eller förändringar efter en sinusformad vågform med viss amplitud och frekvens). Olika stimuleringsprotokoll kan tillämpas med samma elektrodmontage, och samma protokoll kan användas över olika montage.

För att optimera elektrodmontage tittar vi på de funktionsrelevanta hjärnområdena och hur de elektriska fälten som induceras av olika positioner av elektroderna skulle påverka dessa hjärnområden och därav följande kognitiva funktioner. Flera olika när och subkortikala strukturer spelar en viktig roll i minnesfunktioner – inklusive områden i frontal, temporal och parietal cortex. Nämligen stöds WM av ett utbrett neuralt nätverk som inkluderar dorsolateral (DLPFC) och ventral lateral prefrontal cortex (VLPFC), premotoriska och kompletterande motor cortices, liksom bakre parietal cortex (PPC)²¹. För AM och episodiskt minne i allmänhet är strukturer inom mediala temporalloben väsentliga²². Emellertid, associative områden av parietal, frontal och temporal cortices, med deras konvergenta vägar till hippocampus spelar också en viktig roll. På grund av sin anatomiska position kan hippocampus inte stimuleras direkt med hjälp av tDCS, och därmed görs förbättringen av hippocampus-beroende minnesfunktioner med hjälp av de kortikala målen med hög funktionell anslutning till hippocampus såsom bakre parietal cortex. Av dessa skäl används DLPFC och PPC oftast som stimuleringsmål för att förbättra minnet. Positionering av elektroderna kan förfinas ytterligare baserat på strömflödesmodellering²³ och valideras i studier som kombinerar tDCS med neuroimagingtekniker²⁴.

Det vanligaste stimuleringsprotokollet är en konstant anodalström på 1-2 mA som varar mellan 10-30 minuter. Den förmodade mekanismen bakom detta protokoll är att elektroden med en positiv laddning kommer att öka excitabiliteten hos den underliggande närvävnaden som kommer att resultera i förbättrad efterföljande minnesprestanda. Till skillnad från den konstanta anodal tDCS, där strömintensiteten förblir densamma under hela stimuleringsperioden, fluktuerar intensiteten hos strömmen i det svängbara tDCS-protokollet vid den angivna frekvensen runt ett inställt värde. Därför modulerar denna typ av protokoll inte bara excitabilitet utan också entrains neurala svängningar av de relevanta hjärnområdena. Det är viktigt att notera att elektroderna behåller samma strömpolaritet under hela stimuleringstiden för både konstanta och svängbara tDCS.

Här presenterar vi tDCS-montage som riktar sig mot noder inom fronto-parieto-hippocampal-nätverket för att främja minnet – både WM och AM: specifikt två elektrodmontage med målelektroden över antingen vänster / höger DLPFC eller vänster / höger PPC. Förutom konstant anodal tDCS protokoll beskriver vi ett theta oscillatory tDCS protokoll.

Studiedesign
Innan vi ger en detaljerad guide om hur du använder tDCS för minnesförbättring kommer vi att beskriva några viktiga egenskaper hos den experimentella designen som är viktiga att tänka på när du planerar en tDCS-studie om minne.

Skenkontroll
För att bedöma effekterna av tDCS på minnet måste studien vara skenkontrollerad. Detta innebär att i ett av de experimentella förhållandena liknar protokollet en riktig stimuleringssession, men ingen behandling ges. Denna falska eller falska session fungerar som en referenspunkt för att jämföra prestanda efter verklig tDCS och dra slutsatser om dess effektivitet. Vanligtvis tillämpas strömmen i skenprotokollet endast under en kort period – vanligtvis upp till 60 sekunder i början och i slutet av skenstimuleringen som en upptrappning följt av omedelbar ramp-down (dvs. blekning/blekning, upp till 30 sekunder vardera) mode. På så sätt säkerställs det att stimuleringens varaktighet är otillräcklig för att producera några beteendemässiga eller fysiologiska effekter. Eftersom lokala hud/hårbotten sensationer vanligtvis är mest uttalade i början och i slutet av stimulering (på grund av förändringar i den nuvarande intensiteten), är de känslor som induceras i alla protokoll jämförbara och svåra att skilja²⁵. På så sätt är deltagaren förblindad på om stimuleringen är verklig eller inte, vilket är särskilt viktigt i inom ämnesdesign.

Förutom sham-control, för att bedöma särdragen hos effekterna av svängande protokoll, är det lämpligt att ha ett aktivt kontrolltillståndockså. Till exempel kan den aktiva kontrollen för oscillaterande protokoll vara konstant anodal stimulering av samma intensitet^26,27, eller oscillaterande stimulering i olika frekvenser, t.ex. theta vs gamma²⁸.

Design inom eller mellan försökspersoner.
I inom-ämnen design genomgår varje deltagare både verklig och sham tDCS, medan mellan ämnen design en grupp deltagare får verkliga, och den andra gruppen får sham tDCS. Den största fördelen med design inom ämnet är bättre kontroll av ämnesspecifika confounds. Det vill säga individuella skillnader i anatomi och kognitiva förmågor kontrolleras bäst för när varje deltagare jämförs med sig själv. Eftersom inom ämnesdesign måste tillämpas på cross-over-sätt (dvs. hälften av deltagarna får verklig tDCS under den första sessionen och bluff i den andra sessionen, medan den andra hälften av deltagarna får falska första och verkliga tDCS andra) kanske denna design inte är optimal för kliniska studier och träningsstudier samt studier som involverar flera tDCS-sessioner under på varandra följande dagar, eftersom crossover-design kan resultera i ojämlika utgångsvärden mellan övergångsarmar. Därför är inom ämnesdesign bäst när man bedömer antingen beteendemässiga eller fysiologiska effekter av en enda tDCS-session, och när ojämlika baslinjer inte anses vara ett problem för forskningshypotesen. Vid inom ämnesdesign som bedömer effekterna av en enda tDCS-session är det en bra praxis att hålla 7 dagar mellan verklig och skenig tDCS-session för att undvika överföringseffekter (även om vissa studier tyder på att ännu kortare utskortningsperioder inte väsentligt påverkar^{resultaten 29,30}) och att använda parallella former av minnesuppgifter i motvikt för att minimera träning och inlärningseffekter mellan sessionerna.

När mellanpersoner utformas bör kontrollgruppen noggrant matchas för baslinjens prestanda, liksom andra relevanta egenskaper som är kända för att vara relevanta för tDCS effektivitet. Slumpmässig grupptilldelning kanske inte är det bästa tillvägagångssättet i små urvalsstorlekar (t.ex. <100) eftersom det kan leda till suboptimal matchning. I båda fallen bör baslinjens resultat redovisas i statistisk analys.

Provstorlek.
En av de vanliga frågorna är “hur många deltagare behöver man för att upptäcka tDCS-effekter”. Svaret på denna fråga beror på flera aspekter av studien, inklusive experimentell design, förväntade effekter storlekar, typ av statistisk analys, etc. Provstorlekarna i hjärnstimuleringsexperimenten är ofta för små, och det uppskattas att studier inom detta område missar cirka 50% av sanna positiva resultat eftersom de är underbemannade³¹. Effektanalys gör det möjligt att fastställa tillräcklig urvalsstorlek för varje specifikt experiment baserat på studiens utformning och förväntade effektstorlek för planerad statistisk analys. Effektanalysen kan utföras i R-miljö eller med hjälp av gratis specialiserad programvara som G * Power³², och den bör alltid utföras på försatt (dvs. före experimentet). Strömmen bör ställas in på >,80 (helst .95) och förväntad effektstorlek på minnesuppgifter efter en enda tDCS-session är vanligtvis mellan .15-.20 (η²) dvs. Cohen f 0,42-0,50. Därför behöver man vanligtvis skriva in totalt 20-30 deltagare för inom ämnesexperiment och 30-40 deltagare per grupp för mellanämnesstudier, för att uppnå tillfredsställande effekt och därmed minska typ II-fel. Exempelstorleken beror dock på antalet andra faktorer, inklusive den planerade analysen och känsligheten för de beteendemått som används. Därför skulle man helst köra ett första experiment för att förstå effektstorlekarna för den specifika designen och använda dessa data som indata för energianalys. Det är dock viktigt att notera att om du kör ett pilotexperiment på bara några få deltagare kommer det att leda till felaktiga och opålitliga uppskattningar av effektstorlekarna. Om resurserna är begränsade är det därför bättre att förlita sig på de tidigare studierna med jämförbara resultat och inta något mer konservativ hållning, dvs. genom att uppskatta för något mindre effektstorlekar än vad som rapporteras i litteraturen.

Utfallsåtgärder
För att bedöma effektiviteten hos tDCS på minnet måste man välja lämpliga beteendeuppgifter. Faktum är att valet av minnesuppgift är en av de avgörande aspekterna av studiedesignen, eftersom förmågan att upptäcka tDCS-effekten direkt beror på aktivitetens känslighet. Utmaningen här är att de flesta standardiserade minnesbedömningsverktyg eller klassiska neuropsykologiska uppgifter kanske inte är tillräckligt känsliga för att upptäcka tDCS-effekter i specifika populationer. Dessutom är de flesta av de standardiserade uppgifterna inte tillgängliga i två eller flera parallella former och kan därför inte användas i inomämnens utformning. Därför använder de flesta tDCS-minnesstudier anpassade bygguppgifter. Vid utformning eller val av utfallsmått bör man se till att uppgiften är: (1) fokalt/selektivt mått på minnesfunktionen av intresse; (2) Känslig (dvs. att skalan är tillräckligt bra för att upptäcka även små förändringar). (3) Utmanande för deltagarna (dvs. att uppgiftssvårigheterna är tillräckliga och därmed undvika celleringseffekter). (4) tillförlitlig (dvs. att mätfelet minimeras så mycket som möjligt). Därför bör man använda empiriskt validerade strikt parallella former av minnesuppgifter, som har ett tillräckligt antal försök – både för att säkerställa åtgärdens känslighet och för att maximera dess tillförlitlighet. Helst bör uppgifterna förtestas på en grupp som provtas från samma population som experimentdeltagarna för att säkerställa att maximal prestanda inte kan uppnås och att uppgiftsformulären har lika stora svårighetsindex. Slutligen är det bäst att använda datoriserade uppgifter när det är möjligt eftersom de tillåter kontrollerad varaktighet och exakt timing. På så sätt kan forskare se till att alla deltagare genomgår minnesbedömning samtidigt när det gäller tidpunkten för stimulering (antingen under eller efter tDCS). Varaktigheten för varje uppgifts- eller uppgiftsblock bör inte vara längre än 10 minuter, för att undvika trötthet och fluktuationer i uppmärksamhetsnivåer. Den kognitiva bedömningen bör inte vara längre än totalt 90 minuter (inklusive uppgifter både under och efter tDCS).

Protocol

Detta förfarande har godkänts av den institutionella etikkommittén och är i linje med Helsingforsförklaringen och riktlinjer för mänsklig forskning. 1. Material OBS: För varje tDCS-session bereds följande material (figur 1). Skaffa en tDCS-enhet – använd endast en batteridriven tDCS-enhet eller en nätansluten optiskt isolerad tDCS-enhet. Enheten ska fungera som en konstant strömstimulator med en maximal effekt begränsad helst till några milliampere-intervall. Enheten måste ha myndighetsgodkännande för humant bruk. Få gummielektroder – använd antingen 5 cm x 5 cm kvadratformade eller 25 cm2 rundformade elektroder. Dessa elektroder kommer att ha strömtätheten mellan 0,06 mA/cm2 respektive 0,08 mA/cm2 för strömmar på 1,5 mA-2 mA. Förbered svampfickor som passar gummielektroderna. Om svampfickan är för stor kommer den att öka kontaktytan till huden. Förbered saltlösning (standard 0,9% NaCl). Förbered alkohol (70%). Få ett justerbart silikonlock – huvudremmar kan också användas, men EEG silikonlock kan bättre justeras till storleken och formen på deltagarnas huvud och är därför bekvämare för elektrodplacering. Få mätband (flexibelt, plast eller band). Få en hudmarkör – hudmarkörpennor eller olika sminkprodukter (t.ex. ögonpenna eller ögonskuggskrit), den senare kan vara ännu bekvämare eftersom de är dermatologiskt testade och lätt avtagbara. Skaffa bomullskuddar. Få kam och en engångs mini silikon hårband. Skaffa en spruta eller plastpipett. Förbered ett protokollblad – fyll i formulär för grundläggande information om sessionen, t.ex. deltagar-ID, studie-ID, datum, tider, anteckningar etc.(se Tillägg till exempel). Förbered en tabell med förberäknade huvudmått för att hjälpa till med elektrodernas placering.OBS: För att påskynda processen och minska risken för fel är det lämpligt att ha denna tabell klar i förväg. Mätningen är baserad på 10-20 EEG elektrod placeringssystem; De värden som används för beräkningar är nasion-inion/vänster-höger-preauricular avstånd (se nedan). Tabellen ger 20 % värden för ett intervall med avståndsvärden. Vi har funnit det som det mest praktiska att ha tabellen inbäddad i protokollbladet (Appendix). Förbered enkäter. För varje session, samla in data om förnimmelser och biverkningar före och efter tDCS; Förnimmelser och nivån av (un)pleasantness under tDCS; humör och allmänt subjektivt tillstånd, dvs färskhet/trötthet. Figur 1:Material för tDCS-experiment (se text för detaljer). 2) Elektroder; 3) svampar; 4) Saltlösning; 5) Alkohol. 6) silikonlock; 7) Mätband. 8) skinnpenna; 9) bomullskuddar; 10) kammar och silikonhårband; 11) spruta Klicka här för att se en större version av denna siffra. 2. Programmera stimuleringsprotokoll Obs: Exakta steg i programmering av tDCS-protokoll skiljer sig åt mellan tDCS-system/enheter. Alla tDCS-enheter ger dock grundläggande funktioner – förmågan att producera konstant ström med önskad stimuleringsintensitet, förmågan att gradvis öka och ner och en metod för att ställa in stimuleringens varaktighet. De mer avancerade protokollen, till exempel den svängbara tDCS, kräver enheter/system som möjliggör specialbyggda stimuleringsprotokoll. Konstant anodal tDCS Definiera standardprotokollet för konstant anodal tDCS (figur 2A) som: (1) blekningsperiod på 30 sekunder, när strömintensiteten gradvis ökas från 0 mA till målintensiteten (vi använder vanligtvis 1,5 mA, men andra intensiteter kan också användas, förutsatt att de håller sig inom säkerhetsgränserna); 2. Stimuleringsperiod under vilken målintensitetens konstanta ström (t.ex. 1,5 mA) levereras. och (3) utfasningsperioden på 30 sekunder när strömintensiteten gradvis minskas till 0 mA. Figur 2: tDCS-protokoll: A) Konstant anodal tDCS. b) Theta oscillatory tDCS, (3) Sham tDCS. Tona i period är märkt orange; utfasningsperioden är markerad som grön. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren. Theta oscillatory tDCS Den svängande tDCS levererar ström av varierande intensitet men växlar inte polariteter(figur 2B). Definiera därför den vågform i vilken strömmen levereras enligt följande: (1) infasningsperiod på 30 sekunder, när strömintensiteten gradvis ökas från 0 mA till målintensiteten (t.ex. 1,5 mA). (2) stimuleringsperioden på 19 minuter där strömmen pendlar runt målintensiteten inom ett fördefinierat amplitudområde (vi använder svängningar på ± 0,5 mA av målintensiteten) i en vald frekvens (vi använder vanligtvis 5 Hz frekvens som representativ för theta rytm); och (3) utfasningsperiod på 30 sekunder för att få den aktuella intensiteten till 0 mA.OBS: Detta protokoll kan genereras av alla experimentella kontrollprogram (t.ex. CED Signal) och levereras via ett intelligent gränssnitt (t.ex. CED 1401-serien av enheter) som är kompatibel med tDCS-enheten som ska användas. Vissa mer avancerade dedikerade transkraniella elektriska stimuleringssystem (tES) förutom tDCS kan leverera växelström (tACS) och slumpmässig ljudstimulering (tRNS) också. De kan också användas för att generera det svängande tDCS-protokollet. I StarStim definieras till exempel det oscillatoriska tDCS-protokollet som en linjär kombination av tDCS (1,5 mA) och tACS (±0,5 mA, 5 Hz). Denna typ av protokoll kan anpassas på ett sätt som inte alla deltagare får oscillatorisk stimulering i samma frekvens (dvs. 5 Hz), men att frekvensen justeras till den dominerande frekvensen inom bandet för varje person (t.ex. person 1: 5 Hz, person 2: 6 Hz, person 3: 4,5 Hz osv.).     Sken tDCS Använd ett skenprotokoll med samma varaktighet som konstant/oscillatorisk tDCS (figur 2C). Definiera det nämligen som: (1) första tona in/ut-perioden där strömmen gradvis ökas till målintensitet (t.ex. 1,5 mA) och gradvis rampas ner till 0 mA under de första 60 sekunderna (2) 18 minuter om 0 mA och (3) den andra tona in/ut-perioden som återigen varar i 60 sekunder.OBS: Ett alternativt tillvägagångssätt skulle vara att använda mycket låg strömintensitet under hela stimuleringsperioden (20 min). Denna typ av skenprotokoll är programmerat på samma sätt som anodalstimuleringen (endast den nuvarande intensiteten är inställd på (0,1 mA) och är utformad för att producera testning känslor men intensiteten är för vecka för att producera några fysiologiska effekter33. 3. Elektrodplacering (Figur 3) DLPFC elektrodmontage: För stimulering av DLPFC, placera målelektroden (anodal) på antingen F3 (vänster) eller F4 (höger) i det internationella 10-20 EEG-systemet. Placera returelektroden (katod) på den kontralaterala kinden – dvs höger kind för F3-anod och vänster kind för F4-anod. PPC elektrodmontage: För stimulering över PPC, placera målelektroden (anodal) på antingen P3 (vänster) eller P4 (höger) i det internationella 10-20 EEG-systemet. Placera returelektroden (katod) på den kontralaterala kinden på samma sätt som i DLPFC-montage. Placering av målelektrod Så här hittar du F3 på deltagarnas huvud Använd mätbandet för att mäta avståndet mellan nasion (den djupaste punkten på näsbryggan) och jonen (den mest uttalade punkten i den yttre occipitala utmattningen) som går över toppen av huvudet. Markera halvvägs med hudmarkören med en tunn linje. Mät avståndet mellan öronen (använd preauricular punkter som referenser) som går över huvudets topp och markera halvvägs med en tunn linje. Hitta hörn- eller mittlinjens centrala position, kallad Cz, vid korsningarna mellan de två mittlinjerna. Märck det tydligt med hudmarkören. Mät återigen nasion-inion-avståndet, men den här gången går över Cz, och notera avståndet som åtgärd A. Mät igen avståndet mellan öronen, den här gången går över Cz, och notera avståndet som åtgärd B. Beräkna 20 % av avståndet A och 20 % av avståndet B (eller se protokollblad för förberäknade värden). Flytta 20% av avståndet En forward från Cz längs nasion-inion-linjen för att nå Fz (mittlinjen frontal) och markera platsen. Flytta 20% av avståndet B åt vänster från Cz längs den interauricular linjen för att nå C3 (vänster central) och markera platsen. Flytta 20% framåt form C3 (parallellt med nasion-inion linjen) och 20% vänsterform Fz (parallellt med den inter-auricular linjen), för att nå F3 vid korsningen. Markera F3 med hudmarkören och placera elektrodens mittpunkt på platsen. För att hitta F4, följ samma procedur endast på höger sida av huvudet. Så här hittar du P3 på deltagarnas huvud Följ stegen 3.3.1.1-3.3.1.5 enligt ovan (hitta Cz, notera avstånd A och B, beräkna 20%). Flytta 20% av avståndet A bakåt från Cz längs nasion-inion för att nå Pz (mittlinjen parietal) och markera platsen. Flytta 20% av avståndet B åt vänster från Cz längs den interauricular linjen för att nå C3 och markera platsen. Flytta 20% bakåt från C3 (parallellt med nasion-inion-linjen) och 20% vänster från Pz (parallellt med den inter-auricular linjen), för att nå P3 i deras skärningspunkt. Markera P3 med hudmarkören och placera elektrodens mittpunkt på platsen. För att hitta P4, följ samma procedur endast på höger sida av huvudet. Placering av elektrod i retur När målelektroden har säkrats med det justerbara silikonlocket (se steg-för-steg-proceduren) sätter du in returelektroden under hakbandet för att säkra elektrodens kontakt med den kontralaterala kinden. Bild 3:Placeringsschema för elektroder. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 4. Steg-för-steg-förfarande Före tDCS-sessionen Kontrollera om varje deltagare uppfyller de införandekriterier som definieras i det etiska godkännandet för studien (se tillägg för de vanligaste kriterierna för inkludering/uteslutning). Be deltagaren fylla i deltagarbladet (inklusive all relevant information som ålder, kön, nikotin-/alkoholkonsumtion osv.34). Följ den institutionella granskningsnämndens etiska riktlinjer och be deltagaren att underteckna informerat samtycke. Använd den här möjligheten för att förklara de grundläggande aspekterna av det förfarande de kommer att genomgå och svara på eventuella frågor som deltagarna kan ha. Beroende på studiens utformning, utför kognitiv bedömning vid baslinjen (minne och/eller andra kognitiva funktioner). tDCS-uppsättning och stimuleringPlacera deltagaren bekvämt i en stol. Be deltagaren att fylla i checklistan för pre-tDCS-sensationer och rapportera om övergripande tillstånd (dvs. aktuellt humör; friskhet / trötthet – dessa kan bedömas antingen som en enda Likert-typ eller med hjälp av standardiserade frågeformulär som Brief Mood Introspection Scale35). Vidta huvudåtgärder med hjälp av ett mätband. För att lokalisera DLPFC eller PPC följ proceduren som beskrivs ovan (elektrodplacering). Skriv ned måtten i protokollbladet för varje deltagare. Dessa kan användas för att kontrollera mot när du gör mätningar i efterföljande sessioner. För att öka konduktiveringen, flytta bort deltagarens hår från stimuleringsplatsen (använd kam och hårband för deltagare med långt hår). Inspektera för tecken på hudskador på stimuleringsplatsen. Undvik att placera elektroder över skadad hud. Rengör ytan på huden där elektroder kommer att placeras med alkoholindränkta bomullskuddar för att avlägsna fett, smuts etc. och låt det torka (använd en sminkborttagningsprodukt om deltagaren har tung makeup på kinden). Sätt silikonlocket på deltagarens huvud och säkra det med hakrempen. Gör inte locket tätt (detta kommer att göras senare). Blötlägg svampfickorna med saltlösning och lägg elektroderna inuti dem. Svamparna ska vara fuktiga men inte droppande; vanligtvis räcker det med 10-15 ml saltlösning per svamp. Om svamparna är för torra kommer detta att orsaka högt motstånd och resultera i dålig ledningsförmåga, även om kretsanslutningen går förlorad.OBS: De flesta tDCS-enheter har motståndsindikatorerna; Svamparna bör dock ibland inspekteras för fukt. Å andra sidan, om svamparna är överdrivet våta kan det orsaka att strömmen skiftar över huvudet under stimulering. Det rekommenderas att ha svampar medium våta och använda en spruta för att lägga till mer saltlösning under experimentet om svamparna blir för torra. Placera svampelektroden under kiselbanden och placera målelektrodens mitt på den markerade huvudplatsen. Ställ in returelektroden på den kontralaterala kinden. Använd silikonbanden för att justera locket till deltagarens huvudstorlek och form. Locket ska vara tätt så att elektroderna inte kan röra sig, men ändå bekvämt för deltagaren. Slå på stimulatorn, välj och kör fördefinierat tDCS-protokoll (aktiv anodal stimulering eller bluff). Be deltagaren att slappna av och låt dem rapportera hur de känner sig under de första minuterna av stimulans (1-3 minuter). Förklara att känslorna långsamt kommer att blekna bort när de vänjer sig vid det eller när de börjar fokusera sin uppmärksamhet på någon annan aktivitet. För att undvika ostrukturerade aktiviteter som kan störa stimuleringseffekterna, använd lätt kognitivt engagemang under tDCS. Till exempel kan deltagarna utföra övningsförsök av kognitiva uppgifter eller delta i enkla minnesspel under stimulering (från och med 3-5 minuters stimulering). Denna typ av kognitivt engagemang under stimulering har potential att främja tDCS-effekter och hjälper deltagarna att hålla sinnet borta från de tDCS-inducerade hudförnimmelserna. Be deltagaren att rapportera hur de känner sig flera gånger under stimulering (t.ex. att rapportera graden av obehaglighet på en 10-punktsskala var 5: e minut av stimulering, 1 – helt frånvarande, 10 – mycket intensiv). Högre nivåer av obehagligheter (>6) kan förväntas under blekning-in blekning perioder i vissa deltagare. Om graden av obehaglighet förblir hög efter 5 minuter avbryt stimuleringen. När den fördefinierade protokollkörningen har förflutit stänger du av stimulatorn. Ta först bort svampelektroderna och ta sedan bort silikonlocket. Be deltagaren att fylla i checklistan för post-tDCS sensationer och att rapportera för eventuella biverkningar som inte redan finns listade. Rengör huden på de platser där den var märkt och inspektera huden för eventuella förändringar. Om det finns en hudreaktion (t.ex. lokal vasodilatation dvs hudrödhet på kinden), övervaka eftersom det vanligtvis är en övergående reaktion hos deltagare med känslig hud och bör försvinna inom 10-15 minuter. Minnesbedömning Om du vill standardisera utvärderingen mellan deltagarna använder du datoriserade utvärderingsverktyg, dvs. minnesuppgifter med automatisk poängsättning. Flera WM-uppgifter (t.ex. verbala och rumsliga 3-back-uppgifter) och AM-uppgifter (verbalt parat lärande; ansiktsord cued recall, objektplats etc.) finns här: https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408 För att utvärdera särdragen hos tDCS-effekter på minnet är det lämpligt att inkludera kontrolluppgifter, dvs. uppgifter som trycker på annan kognitiv eller motorisk funktion. Avsluta den experimentella sessionen/studien Efter den (sista) experimentella sessionen i studien ber deltagaren att försöka gissa de sessioner där de har fått verklig och skenstimulering. Notera alla svar och se om erhållna proportioner är högre än slumpen. Om inte, var blindingen framgångsrik. Om deltagarna kunde skilja real från skenstimulering analysera data för dem som gissade korrekt och de som inte kunde kontrollera om den misslyckade blindningen påverkade tDCS-effekterna. I enlighet med etiska riktlinjer, förhör deltagarna i detalj efter att deras engagemang är klart. Efter den experimentella sessionen Tvätta svamparna med rinnande vatten och tvål så att saltlösningen tvättas bort helt. Låt svamparna torka helt innan du lägger undan dem. Använd varmt vatten och alkohol för att rengöra alla återanvändbara material inklusive kam, silikonlock och mätband. Anteckna alla ovanliga, oväntade eller oplanerade händelser som kan ha inträffat under sessionen – inklusive eventuella utrustningsfel, relevanta kommentarer från deltagaren, avbrott etc.

Representative Results

Det beskrivna protokollet har framgångsrikt använts för att förbättra minnesprestanda i flera studier i vårt laboratorium. Liknande protokoll har dock också använts i andra forskningslaboratorier (t.ex. se36,37). När det gäller arbetsminne har våra resultat visat att 20 minuter av höger frontal tDCS (F4 plats; konstant ström på 1,8 mA) förbättrade verbal wm, medan samma stimulering protokoll tillämpas över vänster parietal cortex (P3 plats) resulterade i bättre rumsliga WM prestanda. Däremot hittades inga signifikanta effekter när samma stimulering protokoll tillämpades över vänster frontal (F3) och rätt parietal (P4) cortices. Figur 4 visar de representativa resultaten av modellering av det elektriska fält som genereras av tDCS samt de prestandamått som följer på aktiva och falska tDCS baserat på de uppgifter som rapporterats i Živanović et al., 202138. Figur 4: (A) Effekter av konstant anodal tDCS av vänster PPC (P3-kontralateral kindmontage) på rumslig arbetsminnesprestanda (rumslig 3-rygguppgift); (B) Effekter av konstant anodal tDCS av rätt DLPFC (F4-kontralateral kind montage) på verbal wm prestanda (verbal 3-back uppgift). Figuren visar simulering av elektriska fält som induceras av tDCS, disposition av uppgiftsförsöken och inompersonens prestanda över aktivt och skentillstånd (värdena är centrerade efter sessionens ordning för att ta hänsyn till motvikt, dvs. positiva värden indikerar prestanda över genomsnittet, medan negativa värden indikerar under genomsnittlig prestanda vid sessionen). Simuleringen av lokala elektriska fält som genereras av elektroduppsättningen utförs med COMETS2 MATLAB verktygslåda 41. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren. Effekterna av parietal tDCS på associativt minne har varit konsekventa och robusta. Det vill säga i serien av inom ämnesexperiment har vi visat att 20 minuter av tDCS över vänster PPC (P3-plats; konstant ström på 1,5 mA) förbättrar minnet för ansiktsordsassociationer27,39,40. Figur 5 visar representativ uppgift och resultat. Dessutom observerades jämförbara effekter på AM-uppgiften som bedömde objektlokaliseringsassociationerna när rätt PPC (P4-plats) stimuleras med samma konstanta tDCS-protokoll40. Figur 5: Effekter av konstant anodal tDCS av vänster PPC (P3-kontralateral kindmontage) på associativ minnesprestanda (A)Ansiktsordspar uppgift; (B) Effekter av konstant anodal tDCS av vänster PPC (P3-kontralateral kind montage) på associativt minne prestanda (andel korrekt återkallade ord på cue). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren. De mer avancerade protokollen som den svängande tDCS har studerats mindre utförligt, men studien av Lang och kollegor26 samt nyligen genomförd studie i vårtlaboratorium 27 visade förbättring av face-word AM efter theta-oscillatory tDCS protokoll i jämförelse med sham. Den animerade figuren visar simulering av det elektriska fältet som induceras av den oscillaterande tDCS över vänster PPC. Video 1. Klicka här för att ladda ner den här videon. Tillägg. Klicka här för att ladda ner dessa filer. 

Discussion

Resultatet av tDCS-studien om minne beror på antalet faktorer, och några av dem, t.ex. homogenitet/heterogenitet i provet, tillräcklig statistisk kraft, svårigheten med minnesuppgifterna och deltagarnas motivation har tidigare diskuterats (se Berryhill, 2014). Flera utmärkta papper om tDCS-metoden, liksom mer allmänna tutorials om tillämpningen av tDCS för att studera kognitiva funktioner finns tillgängliga och kan tillämpas väl på minnesforskningen också^{(se 17,43,44,45,46,47}). Här kommer vi att fokusera på de aspekter av protokollet som, på grundval av vår erfarenhet, är relevanta men ofta förbises eller inte diskuteras tillräckligt detaljerat någon annanstans.

Placering av returelektroden. Det är viktigt att komma ihåg att returelektroden inte är passiv utan negativ polaritetsterminal (dvs. katod). Därför kan det inducera fysiologiska effekter som är motsatta mot målelektroden. Dessutom beror det nuvarande flödet på placeringen av returen lika mycket som det beror på målelektroden. Eftersom strömmen strömmar längs minsta motståndets väg, om anoden och katoden ligger för nära varandra, kan strömmen dessutom endast flöda över hudytan och/eller genom cerebrospinalvätskan mellan elektroderna, vilket gör att den närvävnaden inte påverkas. Av dessa skäl är det noggranna valet av returelektrod lika relevant som målelektrodens position. Det finns meta-analytiska bevis som tyder på att extrakraniella katoder är mer benägna att producera betydande effekter⁴⁸. Positionering av returelektroden på kontralateral kind för minnesförbättring baserades på nuvarande flödesmodellering och valdes för att undvika potentiella förvirrande effekter av att generera negativ polaritet över funktions irrelevanta hjärnområden. Positionering av returelektrod på den kontralaterala kinden har framgångsrikt använts i tidigare WM-studier^{(se 36,37,38,49}, liksom i AM-studier^27,39,40), och har lyfts fram som ett bra val för tDCS-montage som syftar till att modulera andra kognitiva funktioner samt⁴⁵.

Förblindande. I enstaka blinda experiment, för att säkerställa förblindande av deltagaren, bör stimulatorns och/eller övervakningsdisplayens position vara utom räckhåll för deltagaren. Detta är särskilt viktigt vid användning av stimulatorer som har lampor som indikerar när enheten är på och/eller levererar ström. För dubbelblinda mönster (när både deltagare och experimenterare inte känner till protokollet som administreras) bör man använda det dubbelblinda alternativet eller liknande alternativ som är tillgängligt för en viss enhet. Om ett sådant alternativ inte finns tillgängligt är den goda praxisen att ha tvåexperimenterförfarande. Det vill säga en experimenter kommer bara in för att köra stimuleringsprotokollet, medan den andra experimentören som kör deltagaren genom experimentet, inklusive den efterföljande minnesuppgiften och analyserar data, lämnar rummet strax före och under stimuleringen. Med metodologiska standarder föredras dubbelblinda experiment framför enblinda mönster eftersom de minskar bias eller “experimenter” -effekterna. Detta är mycket relevant vid kliniska prövningar och/eller användning av intervjubaserade bedömningar av kognitiva funktioner. Blindning av experimenteraren är dock mindre ett problem när deltagarna är mycket motiverade att maximera sina prestationer (vilket främst är fallet i minnesbedömning eller kognitiv förbättring i allmänhet), och när uppgiften administreras samt poängsätts automatiskt (dvs. när experimenteraren har liten eller ingen intervention i bedömningsfasen).

Aktivitet under tDCS. Författare till tDCS-papper rapporterar sällan om vad deltagarna gjorde under stimulering. När aktiviteten inte rapporteras är det vanligtvis underförstått att deltagarna instruerades att sitta bekvämt och koppla av. Frånvaron av strukturerad aktivitet är dock källan till det okontrollerbara “bruset” i experimenten. Nämligen är 20 minuter ganska lång tid, så vissa deltagare kan använda tiden för att koppla av (med möjlighet att till och med somna) medan andra kan fokusera på tDCS-sensationer eller börja idissla eller överdrivet tänka på vissa tDCS-icke-relaterade ämnen. Det finns belägg för att funktionsrelevant men inte tröttsam verksamhet som utförs under tDCS har potential att främja tDCS-effekter⁵⁰. Av dessa skäl utför deltagarna i våra experiment antingen övningsförsök av de minnesuppgifter som ska användas som utfallsmått eller liknande minnesuppgifter. Övningsförsök är bra val eftersom de engagerar samma neurala nätverk som målfunktionen men är enklare och därför inte frustrerande eller tröttande för deltagarna. Dessutom är det ekonomiskt ekonomiskt att utföra övningsförsök under stimulering i en mening som minskar testtiden efter tDCS, vilket kommer som en fördel, särskilt när studiedesignen innehåller flera uppgifter som ska slutföras efter tDCS. Övningsförsöken är dock vanligtvis mycket kortare än 20 minuter, så alternativ aktivitet måste också presenteras. För detta ändamål har vi använt vanliga minnesspel⁴⁰, som håller deltagarna fokuserade, hjälper dem att fördriv tiden och hålla sinnet borta från tDCS-inducerade känslor och göra dem överlag bekvämare i testinställningen. Några saker att tänka på när du väljer minnesuppgiften som ska utföras under tDCS är att uppgiften inte ska vara svår men inte heller tråkig (adaptiva uppgifter som är inställda på 80% framgångsgrad är bra i detta sammanhang); Uppgiften bör inte ha det material som kan störa efterföljande minnesbedömning (t.ex. när man bedömer minne för ansikten och ord kan man använda abstrakta bilder / former par). En annan viktig fråga är varaktigheten av “habituationperioden”, dvs. hur lång tid efter stimuleringens början om deltagarna börjar utföra “distraktionsaktiviteten”. Det finns individuella skillnader i intensiteten i sensations- och tillvänjningstiderna, men majoriteten av deltagarna kommer att vara redo att starta aktiviteten efter 3-5 minuters stimulans.

Kutan känsla. Vissa deltagare kan vara mer känsliga för testning tDCS effekter, vilket rapporterar förhöjda nivåer av obehag, även om detta inte händer så ofta. Det är viktigt att informera deltagarna om potentiella känslor som de kan uppleva före experimentet. Om någon är rädd för proceduren låter vi ofta deltagarna “känna” strömmen på handen innan de sätter svamparna på huvudet. Deltagarna bör övervakas kontinuerligt och uppmanas att regelbundet ge feedback om sin komfortnivå och förnimmelser. Om deltagaren rapporterar ökad grad av obehag, erbjud dig alltid att avbryta experimentet. Det är viktigt att deltagarna är medvetna om att stimuleringen kan stoppas när som helst om de frågar. Om deltagaren bestämmer sig för att stoppa stimuleringen bör strömmen långsamt stängas av (abrupt annullering av stimuleringsprotokollet kan inducera ännu starkare känslor). Det rekommenderas ofta att vid obehagliga känslor sänks den nuvarande intensiteten tillfälligt till den högsta bekväma nivån, tills deltagaren justerar och sedan gradvis återgår till målintensiteten. Detta verkar vara ett lämpligt alternativ till att stoppa stimuleringsprotokollet, särskilt om tDCS används i klinisk miljö. När tDCS används för forskningsändamål, och särskilt i relativt små prover, är det dock viktigt att alla deltagare genomgår samma förfarande. Därför föredras att stoppa experimentet för att sänka stimuleringens intensitet för vissa deltagare under en tid.

Rapportering av tDCS-metod och övervakning av potentiella confounds. TDCS-forskningsområdet är mycket heterogent när det gäller metoder och åtgärder, och därför är det viktigt att tydligt rapportera alla aspekter av tDCS-förfarandet, inklusive blindningsförfarande och bedömning. Målets huvudpositionering samt returelektrodens position. Elektrodernas storlek och form. Typ av ledande ämne som används (saltlösning eller gel). Strömintensiteten (mA) och densiteten (mA/cm²⁾samt varaktigheten av perioden med toning/ut. Impedansnivåerna om de mäts. Stimuleringens varaktighet (inklusive in-/ut-perioden). Den detaljerade redogörelsen för de aktiviteter som deltagarna deltog i under stimulansen. tidpunkten och varaktigheten av de kognitiva uppgifterna efter stimuleringen (inklusive eventuella bryttider). Denna typ av information underlättar standardisering och systematisk analys av de publicerade studierna (se nyligen genomförd granskning till exempel⁵¹). De aspekter som sällan rapporteras om är effekten av potentiellt dämpande/förvirrande variabler som tid på dagen för tDCS-sessionen, trötthetsnivån/humörnivån som rapporterats av deltagarna, blindhetens framgång (dvs. övertygelser om vilken typ av stimulering de får), ordningen på experimentella sessioner i inom ämnesdesign etc. De flesta av dessa variabler har rapporterats modulera effekterna av tDCS, men deras effekt förblir understudied och inkonsekvent rapporterad. Därför bör tDCS-studier säkerställa att samla in och rapportera om eventuella potentiellt förvirrande variabler. För närmare information om god praxis, se tabellerna 10A, 10B, 11 av Antal och^{kollegorna 34}.

Tillämpningen av det beskrivna protokollet för anodal tDCS antingen i sin standard eller, ännu mer, i sin avancerade form (dvs. oscillaterande-modulerade tDCS) ger ett medelvärde inte bara för förbättring av minnesfunktioner (och prospektiv användning i kliniska populationer), men möjliggör också undersökning av neurobiologin hos de funktionella neurala nätverken bakom dessa funktioner.

Materials

Adjustable silicone cap
Alcohol
Comb
Cotton pads
Measuring tape
Rubber electrodes
Saline solution
Single-use mini silicon hair bands
Skin marker
Sponge pockets
Syringe
tDCS device