Transkraniell likström stimulering och Samtidig Functional Magnetic Resonance Imaging

Summary

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik. Det har med framgång använts i grundforskning och kliniska miljöer för att modulera hjärnans funktion hos människor. Denna artikel beskriver genomförandet av TFF och samtidig funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), för att undersöka neurala grunden för TFF effekter.

Abstract

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv hjärnstimulering teknik som använder svaga elektriska strömmar som administreras till hårbotten för att manipulera kortikal retbarhet och, följaktligen, beteende och hjärnans funktion. Under det senaste decenniet har flera studier adresserade kortsiktiga och långsiktiga effekter av TFF på olika mått på spatial förmåga under motoriska och kognitiva uppgifter, både hos friska individer och i en rad olika patientgrupper. Hittills har dock, lite är känt om de neurala grunderna för TFF-handling hos människor när det gäller storskaliga hjärnnätverk. Det här problemet kan lösas genom att kombinera TFF med funktionell hjärnavbildningstekniker som funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) eller elektroencefalografi (EEG).

I synnerhet är fMRI den mest använda hjärnavbildningsteknik för att undersöka de neurala mekanismer som ligger bakom kognition och motoriska funktioner. Applicatipå av TFF under fMRI tillåter analys av de neurala mekanismerna bakom beteende TFF effekter med hög rumslig upplösning över hela hjärnan. Nya studier som använder denna teknik identifierade stimulering inducerade förändringar i uppgiftsrelaterat funktionell hjärnaktivitet vid stimulering webbplats och även i mer avlägsna områden i hjärnan, som var förknippade med beteende förbättring. Dessutom TFF administreras under vila-state fMRI tillåtet identifiering av omfattande förändringar i hela hjärnan funktionell uppkoppling.

Framtida studier med denna kombinerade protokoll bör ge nya insikter i de mekanismer för TFF åtgärder inom hälsa och sjukdom och nya alternativ för en mer målinriktad tillämpning av TFF i forskning och kliniska situationer. Den nuvarande manuskriptet beskriver denna nya teknik i en steg-för-steg mode, med fokus på de tekniska aspekterna av TFF administrerade under fMRI.

Introduction

Transkraniell likström stimulering (TFF) är en icke-invasiv metod för hjärnstimulering i vilket kortikal funktion moduleras med hjälp av en svag elektrisk ström (typiskt 1-2 mA) projiceras mellan två hårbotten-anbringat elektroder. Fysiologiskt, TFF inducerar en polaritet beroende förskjutning i neuronal vila membranpotential (RMP) i den riktade kortikala regionen genom manipulation av natrium-och kalciumkanaler och därigenom främja förändringar i kortikala retbarhet ^1. Specifikt har anodstimuleringen (atDCS) visats öka kortikal aktivitet via depolarisering av nerv RMP medan katodstimulering (ctDCS) minskar kortikal retbarhet ^2. Jämfört med andra typer av hjärnstimulering (t.ex. transkraniell magnetisk stimulering) säkerheten har väl etablerade och hittills inga allvarliga biverkningar har rapporterats även i utsatta befolknings ^{3, 4.} Dessutom, åtminstone för lower stimuleringsnivåer (upp till 1 mA), en effektiv placebo ("bluff") stimuleringstillstånd före ^5, vilket gör effektiv förblinda deltagare och utredare till stimuleringsförhållanden, vilket gör TFF ett attraktivt verktyg i experimentell och klinisk forskning inställningar.

Ett flertal studier har hittills visat att dessa förändringar i kortikala retbarhet kan resultera i beteende modulationer. I motorsystemet, har konsekvent polaritet beroende effekter rapporterats ^{1, 6} för både atDCS och ctDCS. I kognitiva studier, de flesta studier som anställd atDCS att förbättra kognitiva funktioner rapporterade positiva effekter på prestanda ^7, medan ctDCS ofta inte ledde till försämrad kognitiv behandling. Det senare kan förklaras av ökad redundans av neurala resurser bearbetnings underliggande kognition ^6. Majoriteten av TFF studier har sysselsatt cross-over design för att studerade omedelbara effekterna av stimulering, som räcker längre än de avslutande av ström endast under korta tidsperioder ^1. Det har dock föreslagits att upprepad stimulering effekter på proteinsyntes, dvs den neurala mekanism underliggande skicklighet förvärv ^8. I själva verket kan motor eller kognitiv träning framgång förbättras när det kombineras med upprepade TFF sessioner och långsiktig stabilitet av dessa förbättringar har rapporterats att pågå i upp till flera månader hos friska vuxna ^8-10. Sådana fynd har också väckt ett intresse för användning av TFF i kliniska sammanhang och preliminära data tyder på att det även kan vara användbara som en primär eller tilläggsbehandling förhållningssätt i olika kliniska populationer ^3. Men medan ett relativt stort antal studier behandlas neurofysiologiska effekterna av TFF i motorsystemet, lite är känt om de underliggande neurala mekanismerna för TFF effekter på kognitiva hjärnfunktioner i hälsa och sjukdom.En bättre förståelse för verkningsmekanismen för TFF är en nödvändig förutsättning för mer riktade tillämpningar av TFF inom forskning och kliniska situationer.

Det här problemet kan lösas genom att kombinera TFF med funktionell hjärnavbildningstekniker som elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). De flesta studier som undersöker de neurala mekanismerna bakom kognition och motorik har valt att anställa fMRI ^11. I synnerhet är fMRI den mest använda hjärnavbildningsteknik för att undersöka de neurala mekanismer som ligger bakom kognition och motoriska funktioner ^11. Dessutom i kombination med samtidig tillämpning av TFF, låter fMRI undersökning av de neurala mekanismerna bakom beteende TFF effekter med högre rumslig upplösning över hela hjärnan jämfört med EEG (för nya beskrivningar av kombinerad TFF-EEG ser Schestatsky et al. ^12). Den nuvarande manuskriptet beskriver the kombinerad användning av TFF under samtidig fMRI. Denna nya teknik har framgångsrikt använts för att studera de neurala mekanismerna bakom TFF-inducerade modulationer av motoriska och kognitiva funktioner ^13-19. I framtiden kommer denna kombinerade protokoll ger nya insikter i de mekanismer för TFF insatser inom hälsa och sjukdom. Förstå effekterna av TFF på storskaliga neurala nätverk som bedömt med denna teknik kan lägga grunden för en mer målinriktad tillämpning av TFF i forskning och kliniska situationer.

Manuskriptet kommer att fokusera på skillnader mellan beteende TFF experiment och den kombinerade användningen av TFF under samtidig fMRI, med en särskild betoning på hårdvarukrav, genomförande av tekniken, och säkerhetsaspekter. Som ett exempel, en enda session av TFF administreras till vänster underlägsna frontal gyrus (IFG) under uppgifts frånvarande vilo-tillstånd (RS) fMRI och under en språkuppgift ^{14, 15} Wsjuk beskrivas, även om många andra tillämpningar är möjliga ^{16, 19.} Detaljer om experimentell design, deltagare egenskaper och fMRI dataanalys förfaranden har beskrivits i detalj i de ursprungliga publikationerna ^14,15 och är utanför ramen för föreliggande manuskriptet. Dessutom i dessa studier ytterligare fMRI skanna den som är involverad sham TFF förvärvades och jämfördes med resultaten av atDCS sessionen (se "Representativa resultat" för detaljer). Denna session var identisk med den som beskrivs i detta manuskript, förutom att stimuleringen avbröts före starten av skanningssessionen (se figur 1 för detaljer). Det nuvarande förfarandet har genomförts framgångsrikt i en 3-Tesla Siemens Trio magnetkamera på Berlin Centre for Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Tyskland), och bör i princip tillämpas på andra skannrar och ^13.

Protocol

1. Kontraindikationer och Särskilda överväganden Grundligt screena deltagarna för MRI kontraindikationer (t.ex. pacemaker, klaustrofobi, etc.) och omfattar vid behov. Förvärva standard frågeformulär vid kliniska eller forskningsinstitutioner som verkar MRI scanners. Följ alltid standardiserade säkerhetsrutiner när kommer in i skannern rummet. Grundligt screena deltagarna för kontraindikationer för TFF. Dessa kan överlappa med kontraindikationer för MR. Se Villamar <e…

Representative Results

Funktionell MRI är den mest använda funktionella avbildningsteknik för att ta itu med de underliggande neurala mekanismer för motoriska eller kognitiva funktioner. Mer nyligen har fMRI också använts för att utvärdera TFF effekter på kortikal aktivitet och anslutningsmöjligheter. Men de flesta av dessa studier administrerade TFF utanför skannern och utvärderas offline effekterna av stimulering (dvs. administrerad TFF innan du börjar skanna 22, 23). Endast ett fåtal studier som hittills h…

Discussion

Den kombinerade tillämpningen av TFF med samtidig fMRI har visat potential för att belysa de neurala grunderna för de omedelbara effekterna av stimulering över hela hjärnan med hög rumslig upplösning ^13-19. I framtiden kan dessa undersökningar kompletteras med kombinerade EEG-TFF studier, för att utnyttja den överlägsna temporal upplösning av den senare tekniken. Dessutom kan intrascanner stimulering verifiering av korrekt placering av elektroderna i hårbotten (t.ex. med hjälp av T-vikt…

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