Bruk av Magnetic Resonance Spectroscopy som et verktøy for måling av Bi-hemisfærisk transkranial elektrostimulasjonen Effekter på Primær Motor Cortex Metabolism

Summary

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (¹H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

Abstract

Transcranial likestrøm stimulering (tDCS) er en neuromodulation teknikk som har blitt stadig mer brukt det siste tiåret i behandling av nevrologiske og psykiatriske sykdommer som hjerneslag og depresjon. Likevel forblir de mekanismer som ligger til grunn for sin evne til å modulere hjerne-eksitabilitet for å forbedre kliniske symptomer ³³ dårlig forstått. For å bidra til å forbedre denne forståelse, kan protonmagnetisk resonansspektroskopi ^(1H-MRS) bli brukt som den tillater in vivo kvantifisering av hjerne metabolitter som f.eks γ-aminosmørsyre (GABA) og glutamat i et område-spesifikk måte ^41. Faktisk en fersk studie viste at ^en H-MRS er faktisk et kraftig middel til å bedre forstå effektene av tDCS på nevrotransmitter konsentrasjon ^34. Denne artikkelen tar sikte på å beskrive den fullstendige protokollen for å kombinere tDCS (NeuroConn MR kompatibel stimulator) med ^en H-MRS på tre T ved hjelp av en MEGA-PRESS seqinnflytelse. Vi vil beskrive virkningen av en protokoll som har vist store løftet for behandling av motoriske dysfunksjoner etter hjerneslag, som består av bilateral stimulering av primære motoriske cortex ^27,30,31. Metodologiske faktorer å vurdere og mulige endringer i protokollen blir også diskutert.

Introduction

Ideen om å bruke elektrisitet til den menneskelige hjerne å modulere aktiviteten har vært studert siden antikken. Faktisk har skrifter fra så tidlig som det 11. ^århundre blitt funnet som beskriver bruk av torpedo elektrisk fisk i behandling av epileptiske anfall ^en. Likevel, det er ikke før nylig at ikke-invasiv hjernestimulering har høstet stor interesse i det vitenskapelige samfunn som det ble vist seg å gi regulerende effekt på kognitiv funksjon og motorisk respons ^to. Mens transkranial magnetisk stimulering (TMS) har blitt grundig studert siden tidlig på 1980-tallet ^3, har nyere interessen for transkranial likestrøm stimulering (tDCS) økt som det er nå ansett som et levedyktig alternativ behandling for et bredt spekter av neuro-patologi, som for eksempel hjerneslag ^4, alkoholavhengighet ^5, og kroniske smerter ^seks. tDCS har mange fordeler i forhold til TMS nervestimulering teknikker som, for eksempel,siden det er relativt billig, smertefritt, godt tolerert av pasientene og bærbar, og dermed gjør det mulig å administrere ved seng ^7. Faktisk bare en liten prosentandel av pasientene opplever en mild kriblende følelse under stimulering ^8. Men denne følelsen forsvinner vanligvis etter noen få sekunder ^9. Derfor lar tDCS robuste dobbeltblinde, simuleringskontrollerte studier siden et flertall av deltakerne kan ikke skille humbug stimulering fra virke stimulering ^9,10.

tDCS involverer induksjon av en konstant-strømstyrken lav elektrisk strøm (1-2 mA) påført på cortex via overflateelektroder som er plassert på hodebunnen i faget. Elektrodene er vanligvis plassert i saltvann-fuktet svamp eller direkte på hodebunnen med en EEG-type lim. For å gjennomføre en undersøkelse tDCS, fire viktigste parametrene må reguleres ved experimenter: 1) varigheten av stimulering; 2) intensiteten av stimulering; 3) elektrodestørrelse; og 4) elektrode montage. I standard protokoller, blir den "aktive" elektrode plassert over området av interesse, mens referanseelektroden er vanligvis plassert over supraorbital regionen. Den strøm flyter fra den positivt ladede anode mot den negativt ladet katode. Effekten av tDCS på primær motor cortex (M1) er bestemt av polariteten av stimulering hvor anodisk stimulering forbedrer eksitabilitet av en populasjon av nerveceller og katodisk stimulering reduserer det ^11. I motsetning til TMS, er utilstrekkelig til å frembringe aksjonspotensialer i kortikale neuroner den induserte strøm. Endringene i kortikal eksitabilitet antas å være på grunn av modulering av neuronal membran terskel fører enten til hyperpolarisering av membranpotensialer eller tilrettelegging for depolarisering av neuroner, avhengig av retningen av strømmen som føres ^8,11. Varigheten av excitability endringer kan vare i opptil 90 minutter etter forskyvningenstimulering av, avhengig av stimulering varighet ^11,12.

tDCS og Motor Rehabilitering

M1 har vært mye brukt som et mål på stimulering siden oppstemthet endringer fremkalt av tDCS kan kvantifiseres gjennom motor fremkalt respons (MEPS) indusert av enkeltpuls TMS ^3. Tidlige studier som viser muligheten for å måle polaritet spesifikke oppstemthet endringer indusert av tDCS har brukt M1 som et mål for stimulering ^11,12. Siden den gang har M1 forblitt en av de viktigste målene for tDCS i studier som involverer både kliniske populasjoner og friske personer på grunn av sin betydning i motorisk funksjon, minne dannelse og konsolidering av motoriske ferdigheter ^12.

Hjernen er avhengig av et komplekst samspill mellom motoriske regioner av begge halvkuler til å utføre en bevegelse ^14. Når ett område er skadet, etter å ha fått et slag for eksempel inter-halvkule interaksjoner er endret. Studier på hjernen plastisitet har vist at de motoriske områder av hjernen tilpasse seg denne modifikasjon på forskjellige måter ^15. For det første kan de intakte, omkringliggende områder av det skadede området blir overactived, som fører til hemming av det skadede området – en prosess som kalles intra-hemisfærisk inhibering. For det andre kan det homologe området av det skadede området blitt overactivated og utøve hemming på den skadede hemisfære – en prosess som kalles inter hemisfærisk inhibering. Den berørte M1 kan derfor dobbelt straffet: først av lesjon og andre ved hemming kommer fra både upåvirket M1 og den omkringliggende regionen av de berørte M1 ^16. En fersk studie har vist at økt eksitabilitet i upåvirket halvkule er knyttet til tregere rehabilitering ^17, som har blitt beskrevet som mistilpasset inter-hemisfærisk konkurranse ^18.

Forstå plastisitet oppstår etteret hjerneslag kan føre til utvikling av neuromodulation protokoller som kan gjenopprette interhemispheric interaksjoner ^19. Tre hoved tDCS behandlinger har blitt foreslått hos pasienter med motoriske mangler følgende hjerneslag ^20,21. Den første behandlingen tar sikte på å reaktivere den skadde motor cortex ved ensidig anodisk stimulering (a-tDCS). I dette tilfellet, stimulering tar sikte på å direkte øke aktiviteten i perilesional områder, som antas å være avgjørende for utvinning. Faktisk har studier vist forbedring av paretic øvre eller nedre lem etter denne behandlingen ^22-26. Den andre behandlingen ble utviklet med sikte på å redusere den over-aktivering av contralesional halvkule ved å anvende ensidige katodisk tDCS (C-tDCS) over den intakte M1. Her, stimulering tar sikte på å indirekte øke aktiviteten i perilesional områder gjennom interhemispehric interaksjoner. Resultater fra disse studiene har vist forbedring av motor funksjonellepå etter c-tDCS ^4,27-29. Til slutt tar sikte tredje behandling på å kombinere de eksitatoriske virkningene av a-tDCS over skadde M1 med hemmende effekter av c-tDCS over upåvirket M1 bruker bilaterale tDCS. Resultatene har vist forbedringer i motorisk funksjon etter bilaterale tDCS ^27,30,31. Videre viste en studie større forbedringer følgende bilaterale tDCS forhold til både ensidige metoder ^32.

Fysiologiske mekanismer av tDCS

Til tross for den økende bruk av tDCS ved behandling av slag, den fysiologiske mekanisme som ligger til grunn dets virkninger fortsatt ukjent ^33. En bedre forståelse av de fysiologiske effektene kan bidra til å utvikle bedre behandlingstilbud og kan føre til standardiserte protokoller. Som nevnt tidligere, kan virkningene av tDCS vare i opptil 90 minutter etter forskyvningen av stimulering ^11,12. Derfor hyperpolarization / depolarizationprosesser kan ikke helt forklare langtidsvirkning ^33,34. Ulike hypoteser har blitt foreslått om den fysiologiske mekanismen bak tDCS ettervirkninger på M1 herunder endringer i neurotransmitterfrigivning, proteinsyntese, ionekanal funksjon, eller reseptor aktivitet ^34,35. Innsikt i denne saken først ble ervervet gjennom farmakologiske studier som viser en undertrykkelse av ettervirkningene av anodisk og katodisk stimulering på M1 oppstemthet ved glutamatergic N-metyl-D-aspartat (NMDA) dekstrometorfan ^36,37, mens den motsatte effekten ble vist ved hjelp av en NMDA reseptor agonist ^38. NMDA-reseptorene antas å være involvert i læring og hukommelse funksjon gjennom langsiktig (LTP) og langtidsdepresjon (LTD), begge formidlet av glutamaterg og gabaergic nevroner ^39,40. Dyrestudier er i tråd med denne hypotesen som de har vist at a-tDCS induserer LTP ^13.

<p class = "jove_content"> Til tross for den viktige fremskritt i vår forståelse av mekanismene for handlingen underliggende tDCS effekter, farmakologiske protokoller presentere viktige begrensninger. Faktisk kan narkotika handling ikke være så romlig spesifikk som tDCS, spesielt i sammenheng med menneskelig eksperimentering, og virkningsmekanismen til deres effekter er hovedsakelig på grunn av post-synaptiske reseptorer ^34. Derfor er det et behov for å undersøke mer direkte effektene av tDCS på den menneskelige hjerne. Proton-magnetisk resonans-spektroskopi ^(1H-MRS) er en god kandidat som det tillater ikke-invasiv in vivo deteksjon av nevrotransmitter-konsentrasjoner i et bestemt område av interesse. Denne metode er basert på det prinsipp at hver proton-inneholdende nevrokjemiske i hjernen har en bestemt molekylstruktur, og følgelig produserer kjemisk spesifikke resonanser som kan oppdages av ^{en H-41} MRS. Den kjøpte signal fra hjernens volum iinteressen er generert fra alle protoner som appellerer mellom 1 og 5 ppm. De ervervede neurochemicals er representert på et spektrum og plottet som en funksjon av deres kjemiske skift med noen tydelig skjelnbare topper, men hvor mange resonanser fra de forskjellige nevrokjemiske overlapper hverandre. Signalstyrken for hver topp er proporsjonal med konsentrasjonen av den ⁴¹ neurometabolite. Mengden av neurochemicals som kan kvantifiseres avhenger av styrken til det magnetiske feltet ^42,43. Men lav konsentrasjons metabolitter, som er skjult av meget sterke resonanser, er vanskelig å tallfeste ved lavere feltstyrke for eksempel 3 T. En måte å få informasjon om slike overlappende signaler er å fjerne de sterke resonanser via spektral redigering. En av slike teknikker er et MEGA-PRESS-sekvens, som tillater deteksjon av γ-aminobutyric acid (GABA) signaler ^44,45.

Bare noen få studier har undersøkt effekten av tDCS påhjernens metabolisme ved hjelp av ^en H-MRS i motor ^34,46 og ikke-motoriske regioner ^47. Stagg og medarbeidere ³⁴ vurdert virkningene av en-tDCS, c-tDCS, og humbug stimulering på M1 metabolisme. De fant en signifikant reduksjon i GABA konsentrasjonen etter et-tDCS, og en betydelig reduksjon av glutamat + glutamin (Glx) og GABA etter c-tDCS. I en annen studie ble det rapportert at mengden av endringer i GABA-konsentrasjonen indusert av a-tDCS løpet M1 var relatert til motorisk læring ^46.

Disse studiene markere potensialet i å kombinere ^en H-MRS med tDCS å øke vår forståelse av den fysiologiske mekanismen bak effekten av tDCS på motorisk funksjon. I tillegg er bruken av kliniske protokoller slik som a-tDCS og c-tDCS løpet M1 nyttig fordi deres adferdsmessige effekter er godt studert, og kan være direkte relatert til fysiologiske resultater. Derfor, en standard protokoll for å kombinere bilateral TDCS og ¹ H-MRS demonstreres i friske deltakerne ved anvendelse av en 3 T MRI-system. Bihemispheric tDCS presenteres til kontrast data med en tidligere MRS studie der ensidig katodisk eller ensidige anodisk tDCS ble brukt over motor cortex ^34. Protokollen er beskrevet spesielt for stimulering med en NeuroConn stimulator i en Siemens 3 T scanner utfører MEGA-PRESS ^en H-MRS.

Protocol

Studien ble godkjent av Forsknings- og fellesskapsetikk Styrene i Unité de Neuroimagerie Fonctionnelle og University of Montreal og ble gjort i samsvar med etiske retningslinjer som nevnt i Helsinkideklarasjonen. Alle fagene ga skriftlig informert samtykke etter nøye screening for MRI-kompatibilitet og ble økonomisk kompensert for sin deltakelse. 1. tDCS Material Kontroller at alle nødvendige materialer er tilgjengelige før du starter eksperimentet (se Figur 1</strong…

Representative Results

Figur 6 viser stillingen av VOI plassert på representasjon av hånden i M1 der alle MRS tiltak ble tatt. I figur 6D, viser en 3D-visualisering en klar representasjon av tDCS elektroder plassert på hodebunnen over antatte primære motor cortex. Figur 7 viser representative "EDIT OFF" og forskjellen ("DIFF") spektra kjøpt i M1. Topper tilsvarende Glx, GABA + MM samt NAA kan tydelig ses. Figur 8 viser pro…

Discussion

Foreliggende papir rettet til å beskrive en standardprotokoll for å kombinere tDCS og ¹ H-MRS ved hjelp av en 3 T skanner. I neste avsnitt vil metodologiske faktorer bli diskutert.

Kritiske Steps
Kontra Screening
Forrige til forsøket, er det avgjørende å se deltakerne for noen kontraindikasjon om bruk av tDCS og ^en H-MRS. Bruken av følgende eksklusjonskriterier er anbefalt for tDCS: en psykiatrisk eller nevrologisk historie,…

Materials

DC-stimulator plus	NeuroConn	30DCS01E	MR compatible device
NuPrep preparation gel	Weaver and Co.	#10-61
Ten20 conductive paste	Weaver and Co.	#10-20-4
Electrode prepping pad	Grass technologies	MD0017	70% isopropyl alcohol and pumice
Saline solution	Local drugstore sample		0.9% sodium chloride
Non permanent hydro-marker	Sharpie	SHPE20WH
SYNGO MR VB17	Siemens AG		MRI software
MAGNETOM Trio A Tim System	Siemens AG		MRI scanner version
Matlab 2013a (Version 8.1)	MathWorks Inc		processing and analysis software
LCModel 6.3	LC MODEL inc		see: s-provencher.com
FASTESTMAP	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		shimming sequence
MEGA-PRESS	Developers: Edward J. Auerbach and Małgorzata Marjańska		MRS sequence