Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function

Marco Curado; Brita Fritsch; Janine Reis

doi:10.3791/53367

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Behavior

인간의 운동 기능의 변조를위한 비 침습 뇌 전기 자극 몽타주

Published: February 04, 2016

doi:

10.3791/53367

Marco Curado, Brita Fritsch, Janine Reis

¹Department of Neurology,Albert Ludwigs University Freiburg

Summary

비 침습 뇌 전기 자극은 모두 연구와 임상 목적으로 대뇌 피질의 기능과 동작을 조절 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 인간 모터 시스템의 조절을위한 다양한 뇌 자극 방법을 설명한다.

Abstract

비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS)은 두 연구 및 임상 목적을 위해 뇌의 기능 및 행동을 조절하는 데 사용된다. 특히, NEBS는 transcranially 중 직류 자극 (tDCS) 또는 교류 자극 (TACS)로 적용될 수있다. 이러한 자극 유형은 시간 – 용량 의존적을 발휘하고 정상인 학습 운동 기능 및 능력에 tDCS 극성 특정 효과의 경우. 최근 tDCS는 뇌졸중이나 운동 장애 환자의 운동 장애의 치료를 증가시키기 위해 사용되어왔다. 이 문서 tDCS 및 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)와 일차 운동 피질 타겟팅 단계별 프로토콜, 미리 정의 된 주파수 범위 내에서 임의로인가 전류를 사용 TACS의 특정 형태를 제공한다. 두 개의 서로 다른 자극 몽타주의 설정을 설명한다. 모두 몽타주에서 방출 전극 (tDCS의 양극) 관심의 일차 운동 피질에 배치됩니다. 에 대한양자 운동 피질 자극의 수신 전극이 반대 일차 운동 피질에 위치하면서 일방적 인 운동 피질 자극은 수신 전극은 반대편 이마에 배치됩니다. 장점과 피질 흥분성 학습 포함한 운동 기능의 조절을위한 각 몽타주 단점뿐만 아니라 안전성과 내약성 눈부신 양태로서 설명된다.

Introduction

³ ^– 비 침습적 전기 뇌 자극 (NEBS), 그대로 두개골을 통해 뇌에 전기 전류의 투여는 뇌의 기능 및 동작 ^1을 수정할 수 있습니다. 신경 생리 학적 및 행동 효과로 이어지는 기본 메커니즘은 여전히 필요하다 이해 NEBS 전략의 치료 가능성을 최적화합니다. 다른 실험실에서 응용 프로그램과 자극 절차의 전체 투명성의 표준화 활동의 제안 된 메커니즘의 결과 및 평가의 신뢰성 해석을 지원하는 데이터의 비교를위한 기초를 제공한다. 전류 자극 번갈아 두개 직류 자극 (tDCS) 또는 두개가 (TACS)는인가 전류의 파라미터가 다릅니다 tDCS는 두 개의 전극 (양극 및 음극) ⁽²⁾ 사이의 단방향 일정한 전류 흐름 구성 ^– ⁶ 동안의 TACS은인가 교류 전류를 사용 에서특정 주파수 ^(7). 두개 랜덤 잡음 자극 (TRNS)는 임의의 주파수에서인가되는 교류 전류를 사용 TACS의 특별한 형태 (예., 100-640 Hz로) 빠르게 변화하는 자극 강도 발생 극성 관계 ^{4,6,7 효과를} 제거하는 ^단계를 포함한다. 자극 설정 자극 예 잡음 스펙트럼 임의로 (보통 사용되지 않는) 1mA 기준 강도 주위 변경 오프셋 포함하면 극성 만 관련이있다. 이 문서의 목적을 위해, 우리는 밀접 연구실 ^{(6)으로부터} 다음과 같은 공보 최근, 모터 시스템에 tDCS 및 TRNS 효과를 이용한 작업에 초점을 맞출 것이다.

TRNS의 작용 기전은 더 적은 tDCS의보다 이해하지만 후자의 가능성이 다릅니다. 이론적 확률 공진 개념적 프레임 워크는 TRNS 번째를 변경하여, 신호 처리 이득을 제공 할 수있다 신경계 자극에 의해 유도 된 잡음을 도입즉 신호대 잡음비 ^4,8,9. TRNS는 주로 약한 신호를 증폭 할 수있어 작업 관련 뇌 활동 (내인성 노이즈 ^9)를 최적화 할 수 있습니다. Anodal tDCS는 시간 분에 대한 자극의 지속 시간을 outlasting 효과와 대뇌 피질의 흥분 (MEP) 자연 신경 발사 속도 ^(10)의 변경에 의해 표시 또는 증가 모터가 잠재적 유발 진폭이 ^{2 증가합니다.} 장기 강화로 알려진 시냅스 효능 오래 지속 증가는 학습과 기억에 기여할 것으로 생각된다. 사실, anodal tDCS 반복적으로 약한 시냅스 입력 ^(11)에 의해 활성화 모터 대뇌 피질의 시냅스의 시냅스 효능을 향상시킵니다. 이 활동에 의존하는 프로세스의 전제 조건으로 시냅스 협력 활성화를 제안, ¹³ ^– 따라서, 개선 운동 기능 / 기술 습득은 종종 자극 모터 훈련 ^(11)와 공동 적용될 경우에만 공개됩니다. 그럼에도 불구하고, C의 증가 사이의 인과 관계ortical 흥분 한 손에 (발사 속도 또는 MEP 진폭의 증가) 및 개선 된 시냅스 효능 반면에 (LTP 또는 운동 학습과 같은 행동 기능) 증명되지 않았습니다.

NEBS는 인간의 운동 기능 ^1을 조절하는 안전하고 효과적인 방법으로 증가하는 관심을 끌고있다 일차 운동 피질 (M1)에 적용. ^6,14,15 ^– 신경 생리 학적 효과 및 동작 결과는 자극 전략 (예 tDCS 극성 또는 TRNS), 전극의 크기 및 몽타주 ^(4)에 의존 할 수있다. 제외 주제 고유의 해부학 적 및 생리 학적 요인의 전극 몽타주 크게 전계 분포에 영향을 미친다 및 피질 ⁽¹⁶⁾ 내에서 확산 전류의 서로 다른 패턴을 초래할 수 ^– ^18. 전극에인가되는 전류의 크기의 강도 이외에 ³ 전달 전류 밀도를 결정한다. 공통 전극 몽타주인간 모터 시스템 연구 (도 1)을 포함한다 : 1) anodal tDCS 관심 M1과 반대측에 위치 이마 음극 상에 위치 애노드 일방적 M1 자극 등; 이 방법의 기본 개념은 관심 ^6,13,19의 M1에 흥분의 상향 조절이다 ^– ⁽²²⁾ 2) anodal tDCS 양측 M1 자극 (또한 관심 M1 및 M1 ^5,6,14,23,24 반대측에 위치하는 음극 상에 위치 애노드) "bihemispheric"또는 "이중"자극이라 등; 이 방법의 기본 아이디어는 반대 M1에 흥분을 하향 조절하면서 관심의 M1에 흥분의 상향 조절에 의해 자극 혜택을 극대화 (즉, 두 M1s 사이의 반구 억제 변조); 3) TRNS은 단지 위에서 언급 일방적 M1 자극 몽타주 investig왔다ated ^4,6; TRNS 효과 향상이 장면 흥분은 100-640 Hz로 ^(4)의 주파수 스펙트럼을 검색 결과로되었다. 뇌 자극 전략 전극 몽타주 선택 임상이나 연구에 설정 NEBS의 효율적이고 안정적인 사용 중요한 단계를 나타낸다. 인간 모터 시스템의 연구에 사용 된 방법론 및 개념적 측면을 설명하는 여기 이러한 세 NEBS 절차를 상세히 설명한다. 일방적 또는 양자 tDCS와 일방적 TRNS 재료는 동일 (그림 2)입니다.

그림 1. 전극 몽타주와 별개의 NEBS 전략 현재 방향. 일방적 anodal 경 두개 직류 자극 (tDCS)의 경우 (A)는 양극 t 위에 위치 관심의 일차 운동 피질과 음극을 통해 중앙그 위에 궤도 영역을 반대측. 양자 운동 피질 자극, 양극과 음극의 경우 (B)은 하나의 운동 피질을 통해 각각 위치한다. 양극의 위치는 anodal tDCS에 대한 관심의 운동 피질을 결정한다. 일방적 두개 랜덤 잡음 자극 (C) (TRNS)은, 하나의 전극은 운동 피질과 반대측 문헌 궤도 영역 위에 다른 전극 위에 위치한다. 전극 사이의 전류 흐름은 검은 색 화살표로 표시된다. 양극 (+ 적색), 음극 – 교류 (파란색), (+/-, 녹색) 현재. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

윤리 문 : 인간 연구 연구 항목 전에 참가자의 서면 동의서가 필요합니다. 참가자 모집하기 전에 관련 윤리위원회의 승인을 얻습니다. 확인 연구는 헬싱키 선언에 따라 있습니다. 여기에보고 된 대표적인 연구 결과 (그림 4)는 59 일 WMA 총회, 서울, 2008 년 10 월에 의하여 개정과 프라이 부르크 대학의 지역 윤리위원회의 승인 헬싱키 선언에 따라 수행 된 연구에 기초한다. 모든 피험…

Representative Results

인간의 모터 시스템에 NEBS의 효과를 조사하기 위해이 적절한 결과 측정을 고려하는 것이 중요합니다. 모터 시스템의 한 가지 장점은 전기 생리 도구 피질 표현 접근성이다. 모터 전위 자주 모터 피질 흥분성의 지표로 사용된다 유발. 29 μA / ㎠의 전류 밀도에서 anodal tDCS 9 분 이상 도포 한 후, 모터 피질 흥분성 건강한 지원자 19,21,22 (또한도 3 참…

Discussion

이 프로토콜은 NEBS, anodal tDCS에 대한 구체적 일방적 인 및 양자 M1 자극하고, 일방적 TRNS를 사용하여 학습 일반적인 재료와 손 운동 기능의 조절과 기술에 대한 절차 적 단계를 설명합니다. (특정 뇌 영역에 몽타주 또는 전류 타입 특정 효과 (), 안전성, 내약성 눈부신) 모터 학습 방법론 양태의 맥락에서, 예를 들면., 인간 모터 시스템 연구 특정 NEBS 프로토콜을 선택할뿐만 아니라 개념적 측면 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MC와 JR 독일 연구 재단 (DFG RE 2740 / 3-1)에 의해 지원됩니다.

Materials

NEBS device (DC Stimulator plus)	Neuroconn
Electrode cables	Neuroconn
Conductive-rubber electrodes	Neuroconn		5×5 cm
Perforated sponge bags	Neuroconn		5×5 cm
Non-conductive rubber sponge cover	Amrex-Zetron	FG-02-A103	Rubber pad 3"*3"
NaCl isotonic solution	B. Braun Melsungen AG	A1151	Ecoflac, 0,9%
Cotton crepe bandage	Paul Hartmann AG	931004	8x5m, textile elasticity
Adhesive tape (Leukofix)	BSN medical	02122-00	2,5cm*5m
Skin preparation paste	Weaver	10-30
Magnetic stimulator	Magstim	3010-00	Magstim 200
EMG conductive paste	GE Medical Systems	217083
EMG bipolar electrodes	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
EMG amplifier	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
Cable for EMG signal transmission	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
Data acquisition unit	Cambridge Electronic Design (CED)	MK1401-3	AD converter
Computer for signal recording and offline analysis
Signal 4.0.9	Cambridge Electronic Design (CED)		Software
non-permanent skin marker	Edding	8020	1 mm, blue

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Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).