MC und JR werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG RE 2740 / 3-1) unterstützt.

Ethik-Anweisung: Studien am Menschen benötigen eine schriftliche Einverständniserklärung der Teilnehmer vor Studienbeginn. Holen Sie die Genehmigung von der zuständigen Ethikkommission vor Rekrutierung der Teilnehmer. Stellen Sie sicher, Studien sind in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki. Die repräsentativen Ergebnisse hier berichtet (Abbildung 4) basieren auf einer Studie, die in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki vom 59. Generalversammlung des Weltärzte, Seoul, Oktober 2008 und genehmigt durch die lokale Ethikkommission der Universität Freiburg geändert durchgeführt. Alle Probanden gaben schriftliche Einverständniserklärung vor Studienbeginn 6. 1. Sicherheit Screening <ol><li> Bildschirm, um die Teilnehmer auf mögliche Kontraindikationen für die nichtinvasive Hirnstimulation 3, z. B. um 25 Fragebögen. </li></ol> 2. Motor Cortex Lokalisierung <ol><li> Suchen Sie die Hand motorischen Kortex des Teilnehmers durch eine von zwei distinct Ansätze, um das Gehirn Darstellung der Muskel von Interesse durch transkranielle Magnetstimulation Ortung (TMS) induzierten MEP, oder indem Sie die Standard-M1 Positionsbestimmungs (C3 / C4) auf der Basis des EEG 10/20 internationalen Systems mit einem Maßband 26 . </li><li> Für TMS-induzierten MEP Aufnahme bitten die Teilnehmer, jedes Objekt zu entfernen, die von TMS Magnetfeld beeinflusst werden, einschließlich Kreditkarten, Mobiltelefone und Metallgegenstände im Allgemeinen. </li><li> Fragen Sie die Teilnehmer bequem zu sitzen. </li><li> Stellen Sie sicher, Verbindungen zwischen EMG-Verstärker und dem Computer verwendet für Signalkonfiguration und Übernahme, wenn eine Software-Schnittstelle. </li><li> Schalten Sie die EMG-Verstärker und verbinden EMG Elektrodenkabel. </li><li> Saubere Teilnehmer der Haut durch sanft in den Regionen der Hand mit der Haut Vorbereitungspaste Reiben, wo die Elektroden platziert werden. Entfernen Sie überschüssiges mit sauberen Gaze-Pad. </li><li> Bringen EMG Oberflächenelektroden in einem Bauch-Sehnen-Montage auf der Hand MuskelInteresse (z. B. M. abductor pollicis brevis der rechten Hand) und eine Masseelektrode verbinden (z. B. auf Unterarm). Der Zweck der Studie bestimmt, welche Hand Muskel zu verwenden. Anmerkung: Für wiederverwendbare Elektroden ist es notwendig, eine kleine Menge einer leitfähigen Paste auf der Elektrodenoberfläche aufzubringen, bevor es der Teilnehmer der Haut zu befestigen. </li><li> (Optionaler Schritt) Starten Sie die Aufnahme-Software für MEP Erwerb wenn MEP Datenspeicherung gewünscht wird. </li><li> Schauen Sie sich die EMG Impedanzwerte. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz &lt;20 kOhm. </li><li> Schalten Sie den magnetischen Stimulator und laden Sie den Kondensator, der durch die entsprechende &quot;Ladung&quot; Taste drücken. </li><li> Legen Sie eine Figur einer Acht TMS Spule auf der Teilnehmerkopfhaut auf der Interhemisphärenspalt und an den motorischen Kortex Bereich bewegen (um die Positionen C3 / C4 des EEG 10/20 internationalen Systems). Halten Sie die TMS-Spule in einem 45 o -50 o Winkel zum Inter fissu verwiesenWieder 27,28, mit dem Griff nach hinten ausgerichtet ist, eine kortikale Stromfluss vom hinteren Herstellung 29 nach anterior. Hinweis: Zwei verschiedene TMS-Spulen für die Lokalisierung motorischen Kortex verwendet: Abbildung einer Acht oder kreisförmigen Spulen. Wenn möglich, verwenden Sie eine Figur einer Acht Spule, da es mehr Brenn Hirnstimulation 30 und eine größere Zuverlässigkeit der Messungen der kortikalen Erregbarkeit 31 zur Verfügung stellt. </li><li> Wenn die magnetische Stimulator (sichtbar auf dem Display) geladen ist, entladen den Stimulator entweder durch den Auslöseknopf drücken oder auf den Fußschalter treten oder automatisch durch ein Software-Programm. Dies wird anschließend eine einzelne TMS Impuls durch die verbunden TMS Spule über der Teilnehmer Kopfhaut liefern. Standard TMS Pulseinstellungen (. Beispielsweise 100 &amp; mgr; s Anstiegszeit des induzierten Stroms und 800 &amp; mgr; s Abklingzeit für monophasische Impulse; kürzere Zerfallszeiten für zweiphasige Impulse) sind spezifisch für das Gerät (Firmware). </li><li>Beginnen Sie mit einer geringen Stimulationsintensität (zB., Stellen Sie die Intensität auf 45% Leistung mit der Stimulationsintensität Drehregler auf dem Stimulator) und achten Sie auf die Abgeordneten sichtbar auf der EMG-Verstärker. <ol><li> Wenn keine MEP ist sichtbar Erhöhung Intensität der Stimulation in 2-5% Schritte, bis ein MEP deutlich vorhanden ist (z. B. 0,5 bis 1 mV Amplitude). Wiederholen Sie die Stimulation durch den Auslöseknopf drücken oder den Fußschalter aktivieren, wenn Impulsabgabe nicht automatisiert ist. Informieren Sie den Teilnehmer, der Stimulation etwas stärker, und dass Bewegungen der Gliedmaßen werden, Gesichts Zucken und ins Auge blinkt erwartet. Hinweis: Legen Sie einen Mindestabstand von 5 Sekunden zwischen den Impulsen niederfrequente Stimulation Auswirkungen auf die Erregbarkeit des Gehirns zu vermeiden. </li></ol></li><li> Bewegen Sie die Spule radial in 1 cm-Schritten um die ursprünglich angeregt Website die Stelle mit dem größten MEP Antwort nach der Anwendung der einzelnen TMS Impulse zu finden. Von dort aus starten wieder die Spule bewegen zu sichernder &quot;Hotspot&quot; (kortikalen Bereich mit maximaler MEP Amplitude). Hinweis: Die Verwendung eines Kopfkappe (. ZB verwendet für die Netz Markierungen) für die Lokalisierung Verfahren wird nicht empfohlen, da die Kappe für NEBS Elektrodenplatzierung entfernt werden muss und die Hotspot-Position verloren gehen können. </li><li> Reduzieren Sie die Stimulationsintensität bei ca. 2% -Schritten die Stimulationsintensität Controller Knopf auf dem Stimulator (MEP müssen noch vorhanden sein). Dadurch wird vermieden, Ungenauigkeit aufgrund supra Stimulation. Bestätigen Sie den Hotspot durch die Spule radial in 1 cm-Schritten um den Hotspot zu bewegen und für MEP Größe überprüfen. Der Hotspot sollte entsprechen immer noch zu den größten und beständigsten MEP Amplitude. Hinweis: Fragen Sie die Teilnehmer, sich freiwillig den Muskel von Interesse zusammenziehen, wenn der Hotspot schwer zu finden ist (. ZB keine MEP in hohen Stimulationsintensität). Auf diese Weise benötigt die Stimulationsintensität MEP zu entlocken wird verringertund es kann leichter zu relevanten kortikalen Stimulationsstellen zu identifizieren. Wenn dieses Verfahren verwendet wird, fragen Sie die Teilnehmer die Muskeln zu entspannen, nachdem eine entsprechende Stimulationsstelle zu finden und Stimulationsintensität anpassen, so dass zuverlässige MEPs gefunden werden kann, wenn der Muskel in Ruhe ist. Gehen Sie den Hotspot zu finden. </li><li> Markieren Sie die Hotspot-Position und Spule Ausrichtung mit nicht-ständigen Hautmarkierung. </li><li> Für bilaterale M1 Stimulation, wiederholen Sie die Schritte von 2,11 bis 2,16 für die kontralaterale Extremität. </li></ol> 3. NEBS Vorbereitung der Elektrode <ol><li> Anschließen der Kabel an Gummielektroden, und legen Sie die Elektroden in den Schwamm Taschen. Stellen Sie sicher, Elektrodengröße und Schwamm Beutelgröße passen. Die Materialien sind in den Standardgrößen im Handel erhältlich (z. B. 5x5 cm 2, 5x7 cm 2). </li><li> Soak Schwamm Taschen auf beiden Seiten mit isotonischer Kochsalzlösung, aber übermäßiger Komfort vermeiden Salzbrücken zu verhindern oder auf die Freiwilligen tropft. <ol><li> Dieser Schritt ist optional: Um ein Auslaufen von NaCl-Lösung verhindern, wenn Bandagen anstelle von Gummibändern, legen Sie die Elektroden und Schwammtaschen innen nicht-leitfähigen Gummischwamm Abdeckungen verwendet. Hinweis: Alternativ können Sie den Plattenelektrode mit einer leitfähigen Paste decken und legen Sie sie direkt auf den Kopf des Teilnehmers, das heißt, nicht mit Schwamm Taschen oder Schaumgummiabdeckungen. </li></ol></li></ol> 4. NEBS Elektrodenplatzierung (Abbildung 1) <ol><li> Finden Sie den Kopf Markierung (en), die den Motor kortikalen Hotspot und trennen Sie die Haare in der Umgebung. </li><li> Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Haut reinigen, bevor Platzierung der Elektroden durch die Haut sanft Bereich um die Kopfzeichnung mit einem Tupfer reiben getränkt mit 40-50% Alkohol oder Hautvorbereitungspaste. Die Haut nicht kratzen! Entfernen Sie überschüssiges mit einem Tupfer und sauberen Bereich wieder mit isotonischer Kochsalzlösung. Trocknen Sie die Fläche danach. Hinweis: Stellen Sie sicher, dass Sie den Kopf Markierung (en) sichtbar bleiben; bemerken, wenn nötig. </li&gt; <li> Legen Sie eine Elektrode nach dem Kopf-Kennzeichnung für die M1 von Interesse (kontralateral zur Hand von Interesse). Bringen des Schwamms so weit wie möglich in direktem Kontakt mit der Haut. Legen Sie das Elektrodenkabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers Störung während der Stimulation zu vermeiden und / oder Aufgabenausführung und erleichtern den Anschluss an die NEBS-Gerät. Hinweis: Die Haare unter der Elektrode sollte feucht werden. Bei übermäßiger Haar Befeuchtung, verwenden Sie Papier oder Handtücher den Überschuss zu absorbieren. Anmerkung: Für anodische tDCS, der Elektrode auf der Motor kortikalen Hotspot von Interesse platziert (Erhöhung der Erregbarkeit gewünscht ist) entspricht der Anode, in der Regel an die rote Leitung angeschlossen. Die Kathode (in der Regel zu einem schwarzen oder blauen Kabel verbunden) ist auf der gegenüberliegenden Überaugenbereich oder M1 platziert (siehe unten). Herkömmlicherweise ist Platzierung der Elektroden das gleiche für tRNS, obwohl in dem klassischen Protokoll es aufgrund der Wechsel curren keine Polarität Spezifitätt-Flow. Bestimmte Platzierung kann wichtig sein, wenn die Stimulationseinstellungen eine Stimulation versetzt sind. </li><li> Für einseitige Ort M1 Stimulation die zweite Elektrode (zum anodischen tDCS: die Kathode) über die Gegenoberaugenhöhlenbereich (entsprechend Fp2 im EEG 10/20 internationalen Systems zur Elektrode). Sicherstellen, dass das Kabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers gerichtet ist. </li><li> Für bilaterale M1 Stimulation überspringen Schritt 4.4. Legen Sie die zweite Elektrode (zum anodischen tDCS: die Kathode) auf der gegenüberliegenden M1 nach dem Markierungskopf ipsilateral zur Glied in der Studie verwendet. Sicherstellen, dass das Kabel in Richtung der Rückseite des Teilnehmers gerichtet ist. </li><li> Bedecken Sie den Kopf zweimal mit einer elastischen Binde kreisförmig in der medio-lateraler Richtung die M1 Elektrode zu stabilisieren, dann mit dem restlichen Verband um den Kopf kreisförmig in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung zu decken beide Elektroden zu stabilisieren. </li><li> Ein Klebestreifen das Ende der Bandag zu behebene. </li><li> Sichern Sie die Kabel mit einem Klebeband am Hals des Teilnehmers oder Shirt. </li><li> Verbinden Elektrodenkabel an die NEBS-Gerät. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53367/53367fig2.jpg" /> Abbildung 2. Die verwendeten Materialien für NEBS-Protokolle. Herkömmliche Materialien, die in nicht-invasive Stimulation des Gehirns Protokolle gehören NEBS Gerät, Elektrodenkabel, leitfähigen Gummielektroden, perforierten Schwamm Taschen, Schaumgummiabdeckung (optional), isotonische Kochsalzlösung und Bandagen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53367/53367fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 5. Stimulation <ol><li> Schalten Sie den NEBS-Gerät. </li><li> Passen NEBS Geräteeinstellungen bezüglich Stimulation Art (tDCS oder tRNS), Intensität (z. B. 1 mA, 1,5 mA oder 2 mA), Dauer (z. B. 10 bis 40 min), an- und abgeschaltet werden (Zeit zwischen Beginn der Stimulation und maximale Intensität, in der Regel 8-15 sec), und weitere Faktoren, die auf die Stimulation Art (zB Frequenzspektrum für tRNS). Hinweis: Herkömmlicherweise Scheinstimulation umfasst durch Herunterfahren unmittelbar gefolgt Hochfahren. Dementsprechend hat der Teilnehmer die Sensation des Stimulations aber die Dauer der Stimulation ist nicht ausreichend anhaltende Wirkung auf die Gehirnfunktion auszuüben. Einige NEBS-Geräte umfassen eine Studie Modus, der Blendung des Teilnehmers und Ermittler können durch eine Studie bestimmten Thema Code eingeben. Der Code bestimmt Stimulation Einstellungen automatisch. Alternativ kann eine zweite Versuchsleiter die Stimulationseinstellungen in jeder Sitzung gesetzt und die Anzeige von der Experimentator decken die Stimulation durch. </li><li> Informieren Sie die Teilnehmer über mögliche Nebenwirkungen mit NEBS verbunden. Häufige Nebenwirkungen sind Juckreiz / Kribbeln oder Brennen underneath den Elektroden, Kopfschmerzen und Unwohlsein 32. Brennen kann mit der Haut ein Zeichen von schlechter Elektrodenkontakt sein. </li><li> Starten Sie die Stimulation. Hinweis: Häufig Stimulation Dauer ca. 10-20 min auf Berichte untersuchen Veränderungen auf die kortikale Erregbarkeit basierend dauert (siehe repräsentative Ergebnisse Abschnitt). Empirisch wurde die maximale Stimulationsdauer bis 40 min 3 gesetzt. </li><li> Auf Durchgang der Stimulation während Hochlauf und Stimulation. Wenn Impedanz zu hoch ist oder die Elektroden sind in einem schlechten Kontakt mit der Haut, kann die Stimulation automatisch beendet. Anmerkung: Falls die Impedanz zu hoch ist oder die Teilnehmer Berichte Beschwerden während der Stimulations Erhöhung versuchen Impedanz zu verringern, zum Beispiel besser, die Elektroden an den Stimulationsstellen fixieren oder leitendes Medium hinzugefügt wird. NaCl-Lösung kann unter Verwendung einer Spritze direkt in die Schwämme nach ihrer Platzierung o angefügtn den Kopf. Hinweis: Aus Sicherheitsgründen einige Geräte, die Impedanz der gesamten Stimulations melden. Die NEBS Gerät abgeschaltet, wenn Impedanz einen bestimmten Schwellenwert erreicht (z. B. 55 kOhm). </li><li> Wenn NEBS ist mit der Ausführung einer motorischen Aufgabe Co-Anwendung, starten Sie den Test / Training nach der Stimulation wird hochgefahren und die Teilnehmer wohl fühlen, mit Stimulation. Im Falle, dass die Studie nicht einen Motor Aufgabe während der Stimulation sind, stellen sicher, dass die Teilnehmer bleibt sitzen und wach während der Stimulationsdauer und warten, bis die Stimulation vorbei ist. </li><li> Prüfen Sie mit dem Teilnehmer für Nebenwirkungen der Stimulation, z. B. durch einen standardisierten Fragebogen 32 verteilen oder direkt mit dem Teilnehmer zu fragen. Im Falle von Studien mehrere Tage der Stimulation einschließlich, beachten Sie bitte die möglichen Nebenwirkungen zwischen den Tagen. Hinweis: Für die Beurteilung der Wirksamkeit blendend, fragen Sie die Teilnehmer nach jeder Stimulation session zu erraten, welche Stimulation Art (Schein / Zustand) der Teilnehmer unterzogen. Wenn der Experimentator auch geblendet wird, könnte der Versuchsleiter auch seine Vermutung Hinweis zur Stimulierung Art des Teilnehmers. Vergleichen Antworten mit der eigentlichen Stimulation Typ 33 Rate von richtigen Treffer zu überprüfen. </li><li> Desinfizieren Sie Elektroden und Schwämme mit ungefährlichen Substanzen wie 40-50% Alkohol. Spülen Sie in Wasser hinterher. Lassen Materialien trocknen, bevor zu speichern. </li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Dieses Protokoll beschreibt typische Materialien und Verfahrensschritte zur Modulation der Hand Motorik und Geschicklichkeit Lernen NEBS verwenden, speziell uni- und bilaterale M1 Stimulation für die anodische tDCS und einseitige tRNS. Vor Beginn einer bestimmten NEBS-Protokoll für einen menschlichen motorischen Systems Studie der Wahl, z. B. im Rahmen des motorischen Lernens, methodische Aspekte (Sicherheit, Verträglichkeit, Verblindung) sowie konzeptionellen Aspekte (Montage oder Stromart spezifischen Ausw...

3 - Nicht-invasive Stimulation des Gehirns (NEBS) kann die Verabreichung von elektrischen Strömen in das Gehirn durch den intakten Schädel, Gehirnfunktion und des Verhaltens 1 ändern. das therapeutische Potenzial von NEBS Strategien Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die zu neurophysiologischen und Verhaltenseffekte zu optimieren wird noch benötigt. Die Standardisierung der Anwendung in verschiedenen Labors und vollständige Transparenz der Stimulation Verfahren bildet die Grundlage für die Vergleichbarkeit von Daten, die von Ergebnissen und der Evaluierung der vorgeschlagenen Wirkmechanismen zuverlässige Interpretation unterstützt. Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) oder die transkranielle Wechselstrom-Stimulation (TAC) unterscheiden sich durch die Parameter des angelegten elektrischen Strom: tDCS besteht aus einer unidirektionalen konstanter Stromfluss zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode) 2 - 6, während tACS verwendet einen Wechselstrom angewandt bei aspezifische Frequenz 7. Transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) ist eine spezielle Form der TAC, die einen Wechselstrom zufällig Frequenzen angewendet verwendet (z. B. 100 bis 640 Hz), die sich in schnell wechselnden Stimulationsintensität und Entfernen Polarität bedingten Effekte 4,6,7. Die Polarität ist nur von Bedeutung, wenn die Stimulation Einstellung eine Stimulation Offset umfasst beispielsweise Rauschspektrum zu ändern um zufällig einen 1 mA Ausgangswert Intensität (in der Regel nicht verwendet). Für die Zwecke dieses Artikels, werden wir auf die Arbeit konzentrieren tDCS und tRNS Auswirkungen auf den Motor-System, genau nach einer jüngsten Veröffentlichung von unserem Labor 6. Die zugrunde liegenden Mechanismen der Wirkung von tRNS sind noch weniger verstanden als der tDCS aber wahrscheinlich verschieden ist. Theoretisch führt in der konzeptionellen Rahmen der stochastischen Resonanz tRNS Stimulation induzierte Lärm auf ein neuronales System, das durch Veränderung th eine Signalverarbeitungs Nutzen bieten kanne Signal-Rausch-Verhältnis 4,8,9. SENDER kann überwiegend schwächere Signale verstärken und damit aufgabenspezifische Aktivität des Gehirns (endogene Lärm 9) optimieren können. Anodal tDCS erhöht Erregbarkeit kortikaler durch Veränderung der spontanen neuronalen Feuerrate angegeben 10 oder erhöhte Motor evozierte Potentiale (MEP) Amplituden 2 mit den Auswirkungen der Stimulationsdauer für Minuten bis Stunden überdauern. Lang anhaltende Anstieg der synaptischen Wirksamkeit bekannt als Langzeit-Potenzierung gedacht werden, um Lernen und Gedächtnis beitragen. Tatsächlich verbessert die anodische tDCS synaptischen Wirksamkeit von Motor kortikalen Synapsen wiederholt durch eine schwache synaptischen Eingang aktiviert 11. Entsprechend wird verbessert Motorik / Erwerb von Fähigkeiten offenbart oft nur, wenn die Stimulation mit Krafttraining zusammen aufgebracht ist 11 bis 13, auch synaptischen Co-Aktivierung als Voraussetzung dieser leistungsabhängigen Prozess hindeutet. Dennoch Kausalität zwischen den Erhöhungen in cortical Erregbarkeit (Erhöhung der Feuerrate oder MEP Amplitude) einerseits und verbesserte synaptische Wirksamkeit (LTP oder Verhaltensfunktionen wie das motorische Lernen) auf der anderen Seite, nicht nachgewiesen wurde. NEBS angewandt auf die primären motorischen Kortex (M1) hat zunehmendes Interesse als sichere und effektive Methode angezogen 1 menschlichen Motorik zu modulieren. Neurophysiologische Effekte und Verhaltens Ergebnis kann auf der Stimulationsstrategie abhängen (zB tDCS Polarität oder tRNS), Elektrodengröße und Montage 4 - 6,14,15. Neben fachimmanente anatomischen und physiologischen Faktoren die Elektrode Montage wesentlich beeinflusst elektrische Feldverteilung und kann Auswirkungen auf die Muster der Strom innerhalb des Kortex Verbreitung 16-18. Zusätzlich zu der Intensität des angelegten Stroms der Größe der Elektroden bestimmt die Stromdichte 3 geliefert. Die gemeinsame Elektrode Montagenin der menschlichen motorischen Systems Studien umfassen (Abbildung 1): 1) die anodische tDCS als einseitige M1 Stimulation mit der Anode auf der M1 von Interesse und der Kathode auf der Gegen Stirn positioniert ist; Die Grundidee dieses Ansatzes ist die Hochregulation der Erregbarkeit in der M1 von Interesse 6,13,19 - 22; 2) anodische tDCS bilaterale M1 Stimulation (auch bezeichnet als &quot;bihemispheric&quot; oder &quot;Dual&quot; Stimulation) mit der Anode auf der M1 von Interesse und der Kathode auf der kontralateralen M1 5,6,14,23,24 positioniert ist; Die Grundidee dieses Ansatzes ist Vorteile Stimulation durch Hochregulation der Erregbarkeit in dem M1 von Interesse zu maximieren, während Erregbarkeit in die entgegengesetzte M1 Herunterregulieren (dh Modulation der interhemisphärischen Hemmung zwischen den beiden M1s); 3) Für tRNS, nur die oben erwähnte einseitige Montage M1 Stimulation wurde Beobachtungsated 4,6; mit diese Montage Erregbarkeit Wirkungen von tRNS wurden für das Frequenzspektrum von 100 bis 640 Hz 4 Verbesserung gefunden. Die Wahl der Hirnstimulation Strategie und Elektrode Montage stellt einen entscheidenden Schritt für eine effiziente und zuverlässige Nutzung der NEBS in der klinischen oder Forschungs Einstellungen. Hier diese drei NEBS Verfahren werden im Detail beschrieben, wie in menschlichen Motorsystem Studien verwendet und methodischen und konzeptionellen Aspekte werden diskutiert. Materialien für die ein- oder beidseitige tDCS und einseitige tRNS gleich sind (Abbildung 2). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53367/53367fig1.jpg" /> Abbildung 1. Elektrodenmontagen und Stromrichtung für verschiedene NEBS-Strategien. (A) für die einseitige anodische transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) wird die Anode über dem primären motorischen Kortex des Interesses und der Kathode über t positioniert zentrierter kontralateralen Supraorbitalbereich. (B) Für bilaterale motorischen Cortex Stimulation, Anode und Kathode sind jeweils über einen motorischen Kortex befindet. Die Position der Anode bestimmt den motorischen Kortex von Interesse für die anodische tDCS. (C) Für einseitige transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) ist eine Elektrode über dem motorischen Kortex und die andere Elektrode über der Gegenoberaugenhöhlenbereich. Der Stromfluss zwischen den Elektroden wird durch den schwarzen Pfeil angedeutet. Anode (+, rot), Kathode (-, blau), Wechselstrom (+/-, grün). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53367/53367fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table><tbody><tr><td>NEBS device (DC Stimulator plus)</td><td>Neuroconn</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Electrode cables</td><td>Neuroconn</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Conductive-rubber electrodes</td><td>Neuroconn</td><td></td><td>5x5 cm</td></tr><tr><td>Perforated sponge bags</td><td>Neuroconn</td><td></td><td>5x5 cm</td></tr><tr><td>Non-conductive rubber sponge cover</td><td>Amrex-Zetron</td><td>FG-02-A103</td><td>Rubber pad 3&quot;*3&quot;</td></tr><tr><td>NaCl isotonic solution&amp;nbsp;</td><td>B. Braun Melsungen AG&amp;nbsp;</td><td>A1151</td><td>Ecoflac, 0,9%</td></tr><tr><td>Cotton crepe bandage</td><td>Paul Hartmann AG</td><td>931004</td><td>8x5m, textile elasticity</td></tr><tr><td>Adhesive tape (Leukofix)</td><td>BSN medical</td><td>02122-00</td><td>2,5cm*5m</td></tr><tr><td>Skin preparation paste</td><td>Weaver</td><td>10-30</td><td></td></tr><tr><td>Magnetic stimulator</td><td>Magstim</td><td>3010-00</td><td>Magstim 200</td></tr><tr><td>EMG conductive paste</td><td>GE Medical Systems</td><td>217083</td><td></td></tr><tr><td>EMG bipolar electrodes</td><td>e.g., Natus Medical Inc. Viking 4&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EMG amplifier</td><td>e.g., Natus Medical Inc. Viking 4&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cable for EMG signal transmission</td><td>e.g., Natus Medical Inc. Viking 4</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition unit&amp;nbsp;</td><td>Cambridge Electronic Design (CED)</td><td>MK1401-3</td><td>AD converter</td></tr><tr><td>Computer for signal recording and offline analysis</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Signal 4.0.9</td><td>Cambridge Electronic Design (CED)</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>non-permanent skin marker</td><td>Edding</td><td>8020</td><td>1 mm, blue</td></tr></tbody></table>

non-invasive electrical brain stimulation montages for modulation of human motor function

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns (NEBS) wird verwendet, Gehirnfunktion und Verhalten zu modulieren, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke. Insbesondere kann NEBS transkraniell entweder als Gleichstromstimulation (tDCS) oder Wechselstrom-Stimulation (TAC) angewendet werden. Diese Stimulation Arten ausüben zeit-, dosis und im Falle der tDCS Polarität spezifische Effekte auf die motorischen Funktionen und Fähigkeiten bei gesunden Probanden zu lernen. In letzter Zeit hat tDCS verwendet, um die Therapie der motorischen Behinderungen bei Patienten mit Schlaganfall oder Bewegungsstörungen zu erhöhen. Dieser Artikel enthält eine Schritt-für-Schritt-Protokoll des primären motorischen Kortex mit tDCS und transkranielle Rauschen Stimulation (tRNS) für die Ausrichtung, eine spezifische Form der TAC einen elektrischen Strom statistisch innerhalb eines vordefinierten Frequenzbereich angewendet werden. Das Setup von zwei verschiedenen Stimulations Montagen erläutert. In beiden Montagen die emittierende Elektrode (Anode für tDCS) auf dem primären motorischen Kortex des Interesses gestellt. Füreinseitige motorischen Cortex Stimulation wird die Empfangselektrode auf der Gegen Stirn gelegt, während für die bilaterale Stimulation motorischen Kortex die Empfangselektrode auf der gegenüberliegenden primären motorischen Kortex platziert wird. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Montage für die Modulation der kortikalen Erregbarkeit und Motorik einschließlich Lernen diskutiert werden, sowie Sicherheit, Verträglichkeit und blendende Aspekte.

Um die Auswirkungen der NEBS auf den menschlichen motorischen Systems untersuchen ist es wichtig, geeignete Zielkriterien zu berücksichtigen. Ein Vorteil des motorischen Systems ist die Zugänglichkeit der kortikalen Repräsentationen von elektrophysiologischen Werkzeuge. Motor evozierte Potentiale häufig als Indikator für die Motor kortikalen Erregbarkeit verwendet werden. Nach dem Auftragen von 9 oder mehr Minuten der anodischen tDCS bei einer Stromdichte von 29 uA / cm 2 wird<...

Watch this Scientific Journal Video about Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function at JoVE.com

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

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns kann kortikalen Funktion und Verhalten, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke modulieren. Dieses Protokoll beschreibt verschiedene Hirnstimulation Ansätze zur Modulation der menschlichen motorischen Systems.

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns Montagen für die Modulation der Menschen Motor Function

Non-invasive electrical brain stimulation (NEBS) is used to modulate brain function and behavior, both for research and clinical purposes. In particular, ...

non-invasive-electrical-brain-stimulation-montages-for-modulation

Research

JoVE Journal

Behavior

13.0K Aufrufe.  Albert Ludwigs University Freiburg.  Nicht-invasive Stimulation des Gehirns kann kortikalen Funktion und Verhalten, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke modulieren. Dieses Protokoll beschreibt verschiedene Hirnstimulation Ansätze zur Modulation der menschlichen motorischen Systems. 

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

Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone else's action becomes anticipatory simulation of a complementary act. TMS was delivered to the left primary motor cortex corresponding to the hand to induce the highest level of MEP activity from the abductor digiti minimi (ADM; the muscle serving little finger abduction) as well as the first dorsal interosseus (FDI; the muscle serving index finger flexion/extension) muscles. A neuronavigation system was used to maintain the position of the TMS coil, and electromyographic (EMG) activity was recorded from the right ADM and FDI muscles. Producing original data with regard to motor resonance, the combined TMS/MEP technique has taken research on the perception-action coupling mechanism a step further. Specifically, it has answered the questions of how and when observing another person's actions produces motor facilitation in an onlooker's corresponding muscles and in what way corticospinal excitability is modulated in social contexts.

Single-pulse transcranial magnetic stimulation over the primary motor cortex, neuronavigation, and registration of electromyographic activity of hand muscles were used in this study to explore corticospinal excitability while participants were observing action sequences.

Corticospinal ErregbarkeitModulation während der Aktion Beobachtung

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone ...

Forschung

Verhalten

Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular function include transcranial magnetic stimulation, electromyography, and three-dimensional motion capture. The advent of readily available and cost-effective virtual reality solutions has expanded the capabilities of researchers in recreating &#8220;real-world&#8221; environments and movements in a laboratory setting. Naturalistic movement analysis will not only garner a greater understanding of motor control in healthy individuals, but also permit the design of experiments and rehabilitation strategies that target specific motor impairments (e.g. stroke). The combined use of these tools will lead to increasingly deeper understanding of neural mechanisms of motor control. A key requirement when combining these data acquisition systems is fine temporal correspondence between the various data streams. This protocol describes a multifunctional system&#8217;s overall connectivity, intersystem signaling, and the temporal synchronization of recorded data. Synchronization of the component systems is primarily accomplished through the use of a customizable circuit, readily made with off the shelf components and minimal electronics assembly skills.

Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.

Multifunktions-Setup für das Studium der menschlichen Motor Control Mit Transkranielle Magnetstimulation, Elektromyographie, Motion Capture und Virtual Reality

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular ...

Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade. While the use of TMS has expanded to the study of many systems and processes during this time, the original application and perhaps one of the most common uses of TMS involves studying the physiology, plasticity and function of the human neuromuscular system. Single pulse TMS applied to the motor cortex excites pyramidal neurons transsynaptically 2 (Figure 1) and results in a measurable electromyographic response that can be used to study and evaluate the integrity and excitability of the corticospinal tract in humans 3. Additionally, recent advances in magnetic stimulation now allows for partitioning of cortical versus spinal excitability 4,5. For example, paired-pulse TMS can be used to assess intracortical facilitatory and inhibitory properties by combining a conditioning stimulus and a test stimulus at different interstimulus intervals 3,4,6-8. In this video article we will demonstrate the methodological and technical aspects of these techniques. Specifically, we will demonstrate single-pulse and paired-pulse TMS techniques as applied to the flexor carpi radialis (FCR) muscle as well as the erector spinae (ES) musculature. Our laboratory studies the FCR muscle as it is of interest to our research on the effects of wrist-hand cast immobilization on reduced muscle performance6,9, and we study the ES muscles due to these muscles clinical relevance as it relates to low back pain8. With this stated, we should note that TMS has been used to study many muscles of the hand, arm and legs, and should iterate that our demonstrations in the FCR and ES muscle groups are only selected examples of TMS being used to study the human neuromuscular system.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool to gain insight on the physiology and function of the human nervous system. Here, we present our TMS techniques to study cortical excitability of the upper limb and lumbar musculature.

Mit Hilfe Transkranielle Magnetstimulation auf die menschliche neuromuskuläre System zu studieren

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade.  While ...

Medizin

Neuronavigation-guided Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Aphasia

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is widely used for several neurological conditions, as it has gained acknowledgement for its potential therapeutic effects. Brain excitability is non-invasively modulated by rTMS, and rTMS to the language areas has proved its potential effects on treatment of aphasia. In our protocol, we aim to artificially induce virtual aphasia in healthy subjects by inhibiting Brodmann area 44 and 45 using neuronavigational TMS (nTMS), and F3 of the International 10-20 EEG system for conventional TMS (cTMS). To measure the degree of aphasia, changes in reaction time to a picture naming task pre- and post-stimulation are measured and compare the delay in reaction time between nTMS and cTMS. Accuracy of the two TMS stimulation methods is compared by averaging the Talairach coordinates of the target and the actual stimulation. Consistency of stimulation is demonstrated by the error range from the target. The purpose of this study is to demonstrate use of nTMS and to describe the benefits and limitations of the nTMS compared to those of cTMS.

This study is designed to test the hypothesis that neuronavigational system-guided transcranial magnetic stimulation has higher accuracy for targeting the intended target as demonstrated by eliciting a greater degree of virtual aphasia in healthy subjects, measured by delay in reaction time to picture naming.

Neuronavigation geführte Repetitive transkranielle Magnetstimulation für Aphasie

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is widely used for several neurological conditions, as it has gained acknowledgement for its potential ...

Brain State-dependent Brain Stimulation with Real-time Electroencephalography-Triggered Transcranial Magnetic Stimulation

The effect of a stimulus to the brain depends not only on the parameters of the stimulus but also on the dynamics of brain activity at the time of the stimulation. The combination of electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS) in a real-time brain state-dependent stimulation system allows the study of relations of dynamics of brain activity, cortical excitability, and plasticity induction. Here, we demonstrate a newly developed method to synchronize the timing of brain stimulation with the phase of ongoing EEG oscillations using a real-time data analysis system. This real-time EEG-triggered TMS of the human motor cortex, when TMS is synchronized with the surface EEG negative peak of the sensorimotor &#181;-alpha (8-14 Hz) rhythm, has shown differential corticospinal excitability and plasticity effects. The utilization of this method suggests that real-time information about the instantaneous brain state can be used for efficacious plasticity induction. Additionally, this approach enables personalized EEG-synchronized brain stimulation which may lead to the development of more effective therapeutic brain stimulation protocols.

This paper describes real-time electroencephalography-triggered transcranial magnetic stimulation to study and modulate human brain networks.

Hirnzustandsabhängige Hirnstimulation mit Echtzeit-Elektroenzephalographie-Triggered Transkranial Magnetic Stimulation

The effect of a stimulus to the brain depends not only on the parameters of the stimulus but also on the dynamics of brain activity at the time of the ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of neurological and psychiatric disorders such as stroke and depression. Yet, the mechanisms underlying its ability to modulate brain excitability to improve clinical symptoms remains poorly understood 33. To help improve this understanding, proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) can be used as it allows the in vivo quantification of brain metabolites such as &#947;-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in a region-specific manner 41. In fact, a recent study demonstrated that 1H-MRS is indeed a powerful means to better understand the effects of tDCS on neurotransmitter concentration 34. This article aims to describe the complete protocol for combining tDCS (NeuroConn MR compatible stimulator) with 1H-MRS at 3 T using a MEGA-PRESS sequence. We will describe the impact of a protocol that has shown great promise for the treatment of motor dysfunctions after stroke, which consists of bilateral stimulation of primary motor cortices 27,30,31. Methodological factors to consider and possible modifications to the protocol are also discussed.

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.

Die Verwendung von magnetischen Resonanzspektroskopie als Werkzeug für die Messung der Bi-hemisphärische transkranielle elektrische Stimulation Auswirkungen auf primären motorischen Kortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Neurowissenschaften

Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) is a neuromodulatory technique able to act through sinusoidal electrical waveforms in a specific frequency and in turn modulate ongoing cortical oscillatory activity. This neurotool allows the establishment of a causal link between endogenous oscillatory activity and behavior. Most of the tACS studies have shown online effects of tACS. However, little is known about the underlying action mechanisms of this technique because of the AC-induced artifacts on Electroencephalography (EEG) signals. Here we show a unique approach to investigate online physiological frequency-specific effects of tACS of the primary motor cortex (M1) by using single pulse Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) to probe cortical excitability changes. In our setup, the TMS coil is placed over the tACS electrode while Motor Evoked Potentials (MEPs) are collected to test the effects of the ongoing M1-tACS. So far, this approach has mainly been used to study the visual and motor systems. However, the current tACS-TMS setup can pave the way for future investigations of cognitive functions. Therefore, we provide a step-by-step manual and video guidelines for the procedure.

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) allows the modulation of cortical excitability in a frequency-specific fashion. Here we show a unique approach which combines online tACS with single pulse Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) in order to "probe" cortical excitability by means of Motor Evoked Potentials.

Effekte der transkraniellen Wechselstrom Stimulation auf Primärbewegungsrinde durch Online-kombinierter Ansatz mit Transcranial magnetische Anregung

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) is a neuromodulatory technique able to act through sinusoidal electrical waveforms in a specific ...

The Combined Use of Transcranial Direct Current Stimulation and Robotic Therapy for the Upper Limb

Neurologic disorders such as stroke and cerebral palsy are leading causes of long-term disability and can lead to severe incapacity and restriction of daily activities due to lower and upper limb impairments. Intensive physical and occupational therapy are still considered main treatments, but new adjunct therapies to standard rehabilitation that may optimize functional outcomes are being studied.
Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique that polarizes underlying brain regions through the application of weak direct currents through electrodes on the scalp, modulating cortical excitability. Increased interest in this technique can be attributed to its low cost, ease of use, and effects on human neural plasticity. Recent research has been performed to determine the clinical potential of tDCS in diverse conditions such as depression, Parkinson&#39;s disease, and motor rehabilitation after stroke. tDCS helps enhance brain plasticity and seems to be a promising technique in rehabilitation programs.
A number of robotic devices have been developed to assist in the rehabilitation of upper limb function after stroke. The rehabilitation of motor deficits is often a long process requiring multidisciplinary approaches for a patient to achieve maximum independence. These devices do not intend to replace manual rehabilitation therapy; instead, they were designed as an additional tool to rehabilitation programs, allowing immediate perception of results and tracking of improvements, thus helping patients to stay motivated.
Both tDSC and robot-assisted therapy are promising add-ons to stroke rehabilitation and target the modulation of brain plasticity, with several reports describing their use to be associated with conventional therapy and the improvement of therapeutic outcomes. However, more recently, some small clinical trials have been developed that describe the associated use of tDCS and robot-assisted therapy in stroke rehabilitation. In this article, we describe the combined methods used in our institute for improving motor performance after stroke.

The combined use of transcranial direct current stimulation and robotic therapy as an add-on for conventional rehabilitation therapy may result in improved therapeutic outcomes due to modulation of brain plasticity. In this article, we describe the combined methods used in our institute for improving motor performance after stroke.

Der kombinierte Einsatz von Transcranial Direct aktuelle Stimulation und Roboter-Therapie für die obere Extremität

Neurologic disorders such as stroke and cerebral palsy are leading causes of long-term disability and can lead to severe incapacity and restriction of ...

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries unique challenges in children. Similarly, transcranial direct current stimulation (tDCS) can improve motor learning in adults but has only recently been applied to children. The use of tDCS and emerging techniques like high&#8211;definition tDCS (HD-tDCS) require special methodological considerations in the developing brain. Robotic TMS motor mapping may confer unique advantages for mapping, particularly in the developing brain. Here, we aim to provide a practical, standardized approach for two integrated methods capable of simultaneously exploring motor cortex modulation and motor maps in children. First, we describe a protocol for robotic TMS motor mapping. Individualized, MRI-navigated 12x12 grids centered on the motor cortex guide a robot to administer single-pulse TMS. Mean motor evoked potential (MEP) amplitudes per grid point are used to generate 3D motor maps of individual hand muscles with outcomes including map area, volume, and center of gravity. Tools to measure safety and tolerability of both methods are also included. Second, we describe the application of both tDCS and HD-tDCS to modulate the motor cortex and motor learning. An experimental training paradigm and sample results are described. These methods will advance the application of non-invasive brain stimulation in children.

We demonstrate protocols for the modulation (tDCS, HD-tDCS) and mapping (robotic TMS) of the motor cortex in children.

Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has provided important insights into fundamental processes of the brain like cognition, learning, and motor control. However, this approach cannot provide causal evidence for the involvement of brain areas of interest. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful, noninvasive tool for studying the human brain that can overcome this limitation by transiently modifying brain activity. Here, we highlight recent advances using a paired-pulse, dual-site TMS method with two coils that causally probes cortico-cortical interactions in the human motor system during different task contexts. Additionally, we describe a dual-site TMS protocol based on cortical paired associative stimulation (cPAS) that transiently enhances synaptic efficiency in two interconnected brain areas by applying repeated pairs of cortical stimuli with two coils. These methods can provide a better understanding of the mechanisms underlying cognitive-motor function as well as a new perspective on manipulating specific neural pathways in a targeted fashion to modulate brain circuits and improve behavior. This approach may prove to be an effective tool to develop more sophisticated models of brain-behavior relations and improve diagnosis and treatment of many neurological and psychiatric disorders.

This article describes new approaches to measure and strengthen functionally specific neural pathways with transcranial magnetic stimulation. These advanced noninvasive brain stimulation methodologies can provide new opportunities for the understanding of brain-behavior relations and development of new therapies to treat brain disorders.

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...