عبر الجمجمة المباشر تحفيز الحالي في وقت واحد وأسلوب التصوير بالرنين المغناطيسي

Summary

عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هي تقنية تحفيز المخ موسع. وقد تم استخدامه بنجاح في مجال البحوث الأساسية والسريرية لتعديل الإعدادات وظائف المخ لدى البشر. توضح هذه المقالة تطبيق tDCS ومتزامنة وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي)، للتحقيق أساس العصبية للآثار tDCS.

Abstract

عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هو موسع الدماغ تقنية التحفيز التي تستخدم تيارات كهربائية ضعيفة تدار على فروة الرأس لمعالجة استثارة القشرية، وبالتالي السلوك وظيفة الدماغ. في العقد الماضي، وقد تناولت العديد من الدراسات الآثار قصيرة الأجل وطويلة الأجل لtDCS على تدابير مختلفة من الأداء السلوكي خلال المهام الحركية والمعرفية، سواء في الأفراد الأصحاء، وفي عدد من مجموعات سكانية مختلفة المريض. حتى الآن، ومع ذلك، لا يعرف الكثير عن الأسس العصبية للtDCS للعمل في البشر فيما يتعلق شبكات الدماغ على نطاق واسع. ويمكن معالجة هذه المسألة من خلال الجمع بين tDCS مع تقنيات تصوير الدماغ الوظيفية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) أو في المخ (EEG).

على وجه الخصوص، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو الأكثر استخداما على نطاق واسع تقنية تصوير الدماغ للتحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف. تطبيق وعلى tDCS من خلال الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح تحليل الآليات العصبية الكامنة tDCS الآثار السلوكية لقرار مكانية عالية في جميع أنحاء الدماغ بأكمله. حددت الدراسات التي أجريت مؤخرا باستخدام هذه التقنية التحفيز التغيرات التي يسببها في نشاط الدماغ الوظيفية ذات الصلة مهمة في موقع التحفيز، وكذلك في مناطق الدماغ أكثر بعدا، والتي ارتبطت مع التحسن السلوكي. بالإضافة إلى ذلك، تدار tDCS خلال يستريح الرنين المغناطيسي الوظيفي للدولة يسمح تحديد التغييرات على نطاق واسع في الدماغ كله اتصال وظيفية.

ينبغي أن الدراسات المستقبلية باستخدام هذا البروتوكول مجتمعة تسفر عن رؤى جديدة في آليات العمل tDCS في الصحة والمرض وخيارات جديدة لتطبيق أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية. يصف المخطوطة موجودة هذه التقنية الرواية بطريقة خطوة بخطوة، مع التركيز على الجوانب الفنية من خلال tDCS تدار الرنين المغناطيسي الوظيفي.

Introduction

عبر الجمجمة التحفيز الحالية المباشر (tDCS) هو أسلوب موسع لتحفيز المخ التي يتم فيها التضمين سير القشرية عن طريق تيار كهربائي ضعيف (عادة 1-2 مللي أمبير) المتوقعة بين قطبين-الملصقة فروة الرأس. من الناحية الفسيولوجية، tDCS يؤدي الى التحول تعتمد على قطبية في الخلايا العصبية المحتملة غشاء يستريح (RMP) داخل المنطقة القشرية المستهدفة من خلال التلاعب في قنوات الصوديوم والكالسيوم، وبالتالي تشجيع التغييرات في استثارة القشرية ^1. على وجه التحديد، وقد تبين مصعدي التحفيز (atDCS) لزيادة النشاط القشرية عبر الاستقطاب من الخلايا العصبية في حين أن الشرطة العسكرية الملكية التحفيز المهبطي (ctDCS) يقلل من استثارة القشرية ^2. مقارنة مع أنواع أخرى من التحفيز في الدماغ وقد تم راسخة (مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة) سلامة وحتى الآن لم يتم الإبلاغ عن أي آثار جانبية خطيرة حتى في الفئات الضعيفة من السكان ^{3، 4.} أيضا، على الأقل بالنسبة الصغرىشدة التحفيز ور (إلى 1 مللي أمبير)، وهي فعالة وهمي ("صورية") حالة التحفيز موجود ^5، مما يسمح للتعمية فعالة من المشاركين والمحققين للشروط التحفيز، مما يجعل tDCS أداة جذابة في إعدادات البحوث التجريبية والسريرية.

وقد أظهرت العديد من الدراسات حتى الآن أن هذه التغييرات في استثارة القشرية قد يؤدي إلى التحويرات السلوكية. في نظام المحرك، تم الإبلاغ عن الآثار قطبية تعتمد متسقة ^{1، 6} لكلا atDCS وctDCS. في الدراسات المعرفية، وذكرت أن غالبية الدراسات التي استخدمت atDCS لتعزيز الوظائف المعرفية آثار مفيدة على الأداء ^7، في حين لم ctDCS في كثير من الأحيان لا يؤدي إلى معالجة ضعف الادراك. هذا الأخير يمكن تفسيره من خلال التكرار أكبر من الموارد المعالجة العصبية الكامنة وراء الإدراك ^6. غالبية الدراسات قد استخدمت تصاميم tDCS عبر أكثر من دراسةالآثار المباشرة للتحفيز، والتي تدوم إنهاء الحالي إلا لفترات قصيرة من الوقت ^1. ومع ذلك، فقد اقترح أن تتكرر آثار التحفيز على تخليق البروتين، أي العصبية آلية اكتساب المهارات الأساسية ^8. في الواقع، يمكن تعزيز الحركية أو نجاح التدريب المعرفي عند دمجها مع دورات tDCS المتكررة وتم الإبلاغ عن الاستقرار على المدى الطويل من هذه التحسينات إلى آخر تصل إلى عدة أشهر في البالغين الأصحاء ^8-10. وأثارت هذه النتائج أيضا مصلحة في استخدام tDCS في سياقات السريرية والبيانات الأولية تشير إلى أنه قد يكون من المفيد أيضا اتباع نهج المعالجة الأولية أو مساعد في مختلف السكان السريرية ^3. ومع ذلك، في حين تناولت عددا كبيرا نسبيا من الدراسات الآثار العصبية من tDCS في الجهاز الحركي، لا يعرف إلا القليل عن الآليات العصبية الأساسية من آثار tDCS على وظائف المخ المعرفية في الصحة والمرض.فهم أفضل لطريقة عمل tDCS هو شرط مسبق ضروري لتطبيقات أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية.

ويمكن معالجة هذه المسألة من خلال الجمع بين tDCS مع تقنيات تصوير الدماغ وظيفية مثل المخ (EEG) أو وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). لقد اختار غالبية الدراسات التحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف الرنين المغناطيسي الوظيفي لتوظيف ^11. على وجه الخصوص، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو الأكثر استخداما على نطاق واسع تقنية تصوير الدماغ للتحقيق في الآليات العصبية الكامنة وراء الإدراك والحركية وظائف ^11. علاوة على ذلك، عندما يقترن التطبيق المتزامن لtDCS، الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح فحص الآليات العصبية الكامنة tDCS الآثار السلوكية لقرار المكاني العالي في جميع أنحاء الدماغ بأكمله مقارنة مع EEG (لأوصاف الأخيرة من الجمع بين tDCS-EEG نرى Schestatsky وآخرون ^12). يصف المخطوطة الحالية الاستخدام البريد مجتمعة في وقت واحد من خلال tDCS الرنين المغناطيسي الوظيفي. وقد تم بنجاح استخدام هذه التقنية لدراسة الرواية الآليات العصبية الكامنة التي يسببها tDCS-التحويرات من الحركية والمعرفية وظائف ^13-19. في المستقبل، وهذا البروتوكول مجتمعة تسفر عن رؤى جديدة في آليات العمل tDCS في الصحة والمرض. فهم تأثير tDCS على الشبكات العصبية على نطاق واسع وفقا لتقييم مع هذه التقنية قد وضع الأساس لتطبيق أكثر استهدافا من tDCS في مجال البحوث والمرافق الصحية.

وستركز المخطوطة على الاختلافات بين tDCS التجارب السلوكية والاستخدام المشترك للtDCS خلال وقت واحد الرنين المغناطيسي الوظيفي، مع التركيز بشكل خاص على متطلبات الأجهزة، وتنفيذ هذه التقنية، واعتبارات السلامة. كمثال، جلسة واحدة من tDCS تدار على اليسار التلفيف الجبهي السفلي (IFG) خلال المهام غائبة يستريح للدولة (RS) والرنين المغناطيسي الوظيفي خلال مهمة اللغة ^{14، 15} ثسوء وصفها، على الرغم من العديد من التطبيقات الأخرى الممكنة ^{16، 19.} وقد وصفت تفاصيل التصميم التجريبي، وخصائص المشاركين وإجراءات تحليل البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي بالتفصيل في المنشورات الأصلية ^و14،15 هي خارج نطاق المخطوطة الحالية. علاوة على ذلك، في هذه الدراسات، والرنين المغناطيسي الوظيفي إضافية مسح أن تشارك صورية tDCS تم الحصول عليها ومقارنة مع نتائج الدورة atDCS (انظر "نتائج الممثل" لمزيد من التفاصيل). كان هذه الدورة مماثلة لتلك المذكورة في المخطوط الحاضر، إلا أن التحفيز أوقف قبل بدء الدورة المسح الضوئي (انظر الشكل 1 لمزيد من التفاصيل). تم تنفيذ الإجراء الحالي بنجاح في الماسح الضوئي 3 تيسلا سيمنز الثلاثي التصوير بالرنين المغناطيسي في مركز برلين للتصوير المتقدم (جامعة شاريتيه الطب، برلين، ألمانيا)، وينبغي من حيث المبدأ أن تنطبق على الماسحات الضوئية الأخرى كذلك ^13.

Protocol

1. موانع الاستعمال واعتبارات خاصة

1. شاشة بدقة المشاركين على موانع التصوير بالرنين المغناطيسي (مثل أجهزة ضبط نبضات القلب، الخوف من الأماكن المغلقة، الخ) واستبعاد إذا لزم الأمر. الحصول على استبيانات قياسية في المؤسسات السريرية أو البحوث التي تعمل الماسحات الضوئية التصوير بالرنين المغناطيسي. طاعة دائما إجراءات السلامة القياسية عند دخول غرفة الماسح الضوئي.
2. شاشة بدقة المشاركين على موانع للtDCS. هذه قد تتداخل مع موانع للتصوير بالرنين المغناطيسي. انظر فيلامار وآخرون ²⁰ على سبيل المثال.
3. التشاور مع مرفق التشغيل فيما يتعلق بالسلامة واللوائح المحلية الأخلاق والحصول على الأذونات اللازمة. اختبار لالتحف التصوير المحتملة الناجمة عن التحفيز المعدات الحالية أو tDCS قبل بدء التجربة الفعلية (على سبيل المثال عن طريق اختبار تأثير tDCS على نسبة الإشارة إلى الضوضاء ^{17، 18).}

2. FMإعداد RI، تصميم التجارب، والمواد

ملاحظة: استخدام tDCS داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي يتطلب معدات خاصة. على وجه الخصوص، محددة مطلوبة الكابلات المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي، وصناديق التصفية، والأشرطة لأقطاب إرفاق أقطاب لرأس المواضيع '. الشكل 2 يوضح (A) معدات tDCS القياسية و(B) للاستخدام مع مكونات التصوير بالرنين المغناطيسي. مكونات هذه الأخيرة ضرورية لمنع إمكانية التدفئة تحت الأقطاب بسبب نبضات الترددات الراديوية المنبعثة خلال التصوير بالرنين المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون ذلك حافزا التحف التصوير عالية التردد من قبل الجهاز tDCS. كلا يمكن منعها من خلال استخدام صناديق مرشح المتمركزة خارج وداخل غرفة الماسح الضوئي، والكابلات مجهزة المقاومات والتفاني أقطاب مطاطية موصلة التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة.

1. أداء عام التجريبية مجموعة المتابعة وتسلسل للتجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي. كلا تعتمد على أهداف الدراسة. ملاحظة: بروتوكول أدناه SPECIالمرورية لهذه التجربة، ولكن يمكن مراجعة لتنطبق على عدد من الحالات التجريبية المختلفة.
2. استخدام جهاز كمبيوتر سطح المكتب مع برنامج عرض الحوافز تثبيت لمهمة اللغة التي تنطوي على عرض مرئي من فئات الدلالي داخل الماسح الضوئي. تقديم هذه المحفزات على شاشة داخل الماسح الضوئي عبر جهاز عرض متصل بالكمبيوتر ونظام من المرايا.
3. استخدام ميكروفون متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي لنقل الاستجابات اللفظية العلنية. الحصول على اثنين من متواليات الوظيفية خلال tDCS: على بعد خمس دقائق المهمة غائبة RS-تسلسل والدلالات المهمة الجيل كلمة العلني. ملاحظة: تفاصيل إضافية للمجموعة التجريبية الى أعلى، سبق وصفها تسلسل الرنين المغناطيسي الوظيفي والمحفزات في التفاصيل ¹⁴ و ¹⁵ و يوضح الشكل (1) والتجربة.
4. لإعداد الجهاز، برنامج tDCS الجهاز لتقديم تيار مستمر مباشر من 1 مللي أمبير لمدة 20 دقيقة لتغطية كامل مدة اثنين الفحص وظيفيةق، بما في ذلك فترات راحة قصيرة والوقت للحصول على تعليمات في المسح بين ^{14 و 15.} ضمان من أن مشجعا مشحونة بما فيه الكفاية؛ وإلا فإنه قد تغلق خلال التجربة.
5. تأكد من أن كل المواد اللازمة (الشكل 2).

3. إعداد tDCS خارج وداخل من الماسح الضوئي (انظر الشكل 3 للاطلاع على نظرة عامة تخطيطي)

1. وضع مربع تصفية الخارجي على مقربة من مرشح الترددات الراديوية (RF) أنبوب (أي نقطة الاختراق في وتيرة درع الراديو من الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي التي يمكن استخدامها لإدراج الكابلات من خارج الماسح الضوئي). الاتصال مشجعا مع الصندوق الخارجي باستخدام كابل مشجعا. يجب عدم خلط مربع تصفية الداخلي والخارجي يصل. ملاحظة: يوضح الشكل 4A على tDCS انشاء خارج الماسح الضوئي. تم وضع علامة على مربع الخارجي بشكل واضح في الشكل 4B.
2. قياس طول الكابل المطلوبة للاتصال نزلإيه مع الصندوق الخارجي باستخدام كابل مربع (انظر النقطة التالية بشأن تحديد المواقع من الكابلات في غرفة الماسح الضوئي). إدراج الكابل مربع في أنبوب RF من الخارج من الماسح الضوئي والتواصل مع فلتر مربع الخارجي (الشكل 4A).
3. وضع مربع مرشح الداخلية داخل نهاية الجزء الخلفي من تجويف الماسح الضوئي (الشكل 5)؛ استخدام شريط لاصق لإبقائه في مكانه. ربط الكابل مربع مع مربع مرشح الداخلية وتجنب الحلقات في أي الكابلات وهذه ربما تتسبب في تسخين RF. ملاحظة: يجب أن تكون محاذاة كابل مع جدران غرفة الماسح الضوئي ومرفقة مع شريط لاصق (الشكل 3).

4. إعداد المشاركين وضعية المشاركين في الماسح الضوئي

1. كما هو الحال مع tDCS التقليدية مجموعة عمليات، وفحص الجلد من المشاركين عن أي آفات موجودة من قبل، حرك الشعر بعيدا، والجلد نظيفة مع الكحول لإزالة مثبتات الشعر، وغسول الجسم، الخ. لتحسين الموصلية الجلد تحت الأقطاب ^12، <سوب> 21.
2. نقع جيوب الاسفنجة مع محلول ملحي وإدراج الأقطاب التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة إلى جيوب (انظر DaSilva ²¹ للاعتبارات عامة من إعداد المشاركين وتحديد المواقع القطب).
3. مواقف القطب علامة على رؤوس المواضيع 'باستخدام القلم الذي لا يترك أي آثار المغناطيسية (على سبيل المثال لا تستخدم كحل). تحديد موقف هدفا للالأنود باستخدام نظام EEG 10-20 (هنا: غادر IFG، 5 × 7 سم ^{2) 14، 15.} للقيام بذلك، حدد موقع (أ) تقاطع T3-F3 وF7-C3 و (ب) نقطة الوسط بين F7-F3. موقف الهدف في مركز خط ربط النقاط (أ) و (ب). مكان الكاثود (10 × 10 سم ²⁾ على موقف الحق فوق الحجاج (للاطلاع على تفاصيل وضع قطب كهربائي نرى Meinzer آخرون ^{14، 15).} نعلق الأقطاب لرئاسة باستخدام الشريط المطاطي.
4. توجيه المشاركين وراء الماسح الضوئي وتوصيل كابل كهربائي مع FILT الداخليةإيه مربع. بدوره على مقاومة مشجعا واختبار عن طريق الضغط على الحق العلوي والسفلي الزر الأيسر للمشجعا في نفس الوقت. إذا وصلت إلى حدود مقاومة، ثم سوف مشجعا تتوقف تلقائيا. إذا حدث هذا، تحقق ما إذا كان لديهم اتصال مع أقطاب فروة الرأس والجلد نظيفة مرة أخرى أو تطبيق المزيد من محلول ملحي إذا أصبحت جافة جدا الإسفنج، ثم معرفة ما اذا كان أي كابل مكسورة. ملاحظة: مقاومة هو عادة أعلى بالمقارنة مع مجموعة التقليدية المنبثقة من لكابلات إضافية وصناديق تصفية بين مشجعا والأقطاب الكهربائية.
5. توجيه المشاركين إلى غرفة الماسح الضوئي (بعد الاختيار النهائي السلامة). وضع المشاركين على جسرية الماسح الضوئي وتأكد من أن الأقطاب لا تزال في الموضع الصحيح. إغلاق لفائف الرأس. ويجب أن تغذى كابل كهربائي من خلال الجزء السفلي الأيسر من لفائف الرأس (انظر الشكل 6) أو وفقا لتوصيات الشركة المصنعة.
6. نقل المشاركين في الماسح الضوئي تتحمل. تأكد من أن كابل تفعلوفاق لا قبض على العملاقة وكسر (انظر الشكل 6 لوضع آمن ممكن من كابل خلال هذه المرحلة). عندما وصلت المشارك الموقف النهائي داخل الماسح الضوئي، والوصول للكابل الكهربائي من نهاية الجزء الخلفي من الماسحة الضوئية وتوصيله إلى مربع التصفية الداخلية. تسليم زر الطوارئ لمشارك وترك غرفة الماسح الضوئي.

5. البدء في تحفيز

1. استخدام الماسح الضوئي الداخلي لإبلاغ المشاركين عن بدء دورة المسح. بدء المسح كالايزر الهيكلية (لتحديد موقف رئيس مشارك في الماسح الضوئي والسماح للتخطيط عمليات التفحص الوظيفية والهيكلية لاحقة) باستخدام وحدة المسح الضوئي. فحص مسح لوكالايزر التحف عالية التردد: انقر نقرا مزدوجا على كالايزر مسح بعد نهاية فترة حيازة وضبط التباين (للسيمنز الثلاثي من خلال عقد زر الفأرة الأيمن وتحريك الماوس إلى اليسار واليمين، لنرى أمثلة أرقام 7Aو7B).
2. استخدام الماسح الضوئي للاتصال الداخلي لهذا الموضوع أن التحفيز ستبدأ وأنه / أنها قد تشعر بوخز على فروة الرأس لفترة قصيرة. تكرار تعليمات لاول مسح وظيفي. في هذا المثال، إرشاد المشاركين للحفاظ على عيون مغلقة لمدة الفحص (5 دقائق)، والتحرك أقل قدر ممكن والتفكير في أي شيء على وجه الخصوص. تأكد من تشغيل جهاز العرض إيقاف (شاشة داخل تجويف الماسح الضوئي هو أسود) لتجنب التحفيز البصري خلال RS-المسح الضوئي.
3. بدء التحفيز يدويا حوالي 1-2 دقائق قبل بدء أول مسح وظيفي (RS-المسح الضوئي). استخدام وحدة التحكم الماسح الضوئي لتحميل RS-التسلسل. انقر مرتين على RS-تسلسل لفتح مجال للرؤية (فوف)، وضبط الموقف لتغطية كامل الدماغ ومحاذاة تقريبا مع الصوار الأمامي الخلفي. بدء المسح الضوئي الأولى (باستخدام زر START المسح الضوئي).
4. رصد مقاومة في كافة مراحل التجربة. ملاحظة: إذا كان إكسبويجري eriment في وضع مزدوجة التعمية (لقد أعمى مشارك وباحث إلى التحفيز)، قد يكون الباحث الثاني اللازمة لرصد مقاومة.
5. أثناء تشغيل RS-تسلسل، تحميل الثانية تسلسل التصوير وظيفية (للغة مهمة لاحقة) وضبط مجال الرؤية، وذلك باستخدام وحدة التحكم الماسح الضوئي على النحو الوارد أعلاه، للحد من الوقت اللازم بين بالاشعة. بعد نهاية RS-تسلسل، تشغيل جهاز العرض للسماح للعرض المرئي من المحفزات التجريبية خلال مهمة اللغة. انقر مرتين على أيقونة برنامج العرض ونموذج اللغة الحمل. استخدام الماسح الضوئي الداخلي لتكرار التعليمات الخاصة المتعلقة مهمة الرنين المغناطيسي الوظيفي ونموذج بدء المهمة مع ^{14 و 15.}
6. بعد نهاية التجربة التحفيز / الرنين المغناطيسي الوظيفي، مع مواصلة المسح الهيكلية المخططة. لا قطع الكابلات الكهربائي حتى نهاية الدورة المسح.
7. في نهاية التجربة، افصل كابل كهربائي من مربع التصفية الداخلية قبل أن ينتقل المشاركين إلىمن الماسح الضوئي تتحمل. إزالة مشارك من الماسح الضوئي، فصل لفائف الرأس ويطلب من المشاركين على الجلوس وإزالة الأقطاب بعناية.

النتائج

وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي هو تقنية التصوير الوظيفي الأكثر استخداما على نطاق واسع لمعالجة الآليات العصبية الأساسية من الوظائف الحركية أو المعرفية. في الآونة الأخيرة، كما تم استخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لتقييم آثار tDCS على النشاط القشرية والاتصال. ومع ذ...

Discussion

وقد أظهرت تطبيق مجتمعة في وقت واحد مع tDCS الرنين المغناطيسي الوظيفي المحتملة لتوضيح الأسس العصبية من الآثار المباشرة لتحفيز الدماغ عبر كامل لقرار مكانية عالية ^13-19. في المستقبل، ويمكن استكمال هذه الدراسات مجتمعة دراسات EEG-tDCS، لاستغلال قرار الصدغي العلوي من الأس?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 (7x5 and 10x10 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