Transcrânienne à courant de stimulation et simultanée fonctionnelle imagerie par résonance magnétique

Résumé

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une technique de stimulation cérébrale non invasive. Il a été utilisé avec succès dans la recherche fondamentale et les paramètres cliniques de moduler le fonctionnement du cerveau chez l'homme. Cet article décrit la mise en œuvre de la STCC et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle simultanée (IRMf), pour étudier les bases neurales de STCC effets.

Résumé

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une technique de stimulation cérébrale non invasive qui utilise de faibles courants électriques administrées sur le cuir chevelu pour manipuler l'excitabilité corticale et, par conséquent, le comportement et le fonctionnement du cerveau. Dans la dernière décennie, de nombreuses études ont porté sur les effets à court terme et à long terme de la STCC sur différentes mesures de la performance comportementale lors de tâches motrices et cognitives, à la fois chez les individus sains et dans un certain nombre de différentes populations de patients. Jusqu'à présent, toutefois, on sait peu sur les fondements neuronaux de la STCC action chez l'homme en ce qui concerne les réseaux de cerveau à grande échelle. Ce problème peut être résolu en combinant STCC avec des techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle comme l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ou l'électroencéphalographie (EEG).

En particulier, l'IRMf est la technique d'imagerie cérébrale la plus largement utilisée pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices. Applicatisur de STCC pendant IRMf permet d'analyser les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement à haute résolution spatiale sur l'ensemble du cerveau. Des études récentes utilisant cette technique identifiés stimulation changements induits dans l'activité fonctionnelle du cerveau liée à la tâche sur le site de stimulation et aussi dans les régions du cerveau les plus éloignées, qui ont été associés à une amélioration du comportement. En outre, STCC administrés pendant l'état de repos IRMf a permis l'identification de vastes changements dans la connectivité fonctionnelle du cerveau entier.

Les études futures utilisant ce protocole combiné devraient produire de nouvelles connaissances sur les mécanismes d'action STCC dans la santé et la maladie et de nouvelles options pour une application plus ciblée des STCC dans la recherche et les milieux cliniques. Le présent manuscrit décrit cette nouvelle technique dans un mode étape par étape, avec un accent sur les aspects techniques de STCC administrés pendant l'IRMf.

Introduction

Stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) est une méthode non invasive de stimulation cérébrale dans laquelle le fonctionnement du cortex est modulée au moyen d'un faible courant électrique (généralement 1-2 mA) projetée entre deux électrodes sur le cuir chevelu apposée. Physiologiquement, tDCS induit un changement de polarité neuronale dépendante dans le potentiel de membrane au repos (RMP) dans la région corticale ciblée par la manipulation des canaux de sodium et de calcium, ce qui favorise les changements dans l'excitabilité corticale ^1. Plus précisément, la stimulation anodique (atDCS) a été montré pour augmenter l'activité corticale par dépolarisation neuronale de RMP pendant la stimulation cathodique (ctDCS) réduit l'excitabilité corticale ^2. Comparé à d'autres types de stimulation du cerveau (par exemple, la stimulation magnétique transcrânienne) la sécurité a été bien établi et à ce jour aucun des effets secondaires graves ont été signalés, même dans les populations vulnérables ^{3, 4.} En outre, au moins pour lointensités wer de stimulation (jusqu'à 1 mA), un placebo efficace («simulacre») condition de stimulation existe ^5, permettant aveuglement efficace des participants et des chercheurs des conditions de stimulation, ce qui rend STCC un outil intéressant dans le cadre de recherches expérimentales et cliniques.

De nombreuses études à ce jour ont montré que ces modifications de l'excitabilité corticale peuvent entraîner des modulations de comportement. Dans le système de moteur, des effets dépendant de la polarité cohérentes ont été rapportés ^{1, 6} pour les deux atDCS et ctDCS. Dans les études cognitives, la majorité des études qui emploient atDCS à améliorer les fonctions cognitives ont rapporté des effets bénéfiques sur la performance ^7, tandis que ctDCS souvent n'ont pas abouti à un traitement cognitif. Celle-ci peut être expliqué par la plus grande redondance de ressources de traitement neural sous-jacent ⁶ cognition. La majorité des études STCC ont employé des conceptions cross-over pour étudierles effets immédiats de la stimulation, qui survivent à la fin de l'actuelle seulement pour de courtes périodes de temps ^1. Cependant, il a été suggéré que les effets de stimulation répétée sur la synthèse des protéines, à savoir le mécanisme d'acquisition de compétences neural sous-jacent ^8. En effet, le moteur ou la réussite de l'entraînement cognitif peuvent être améliorées lorsqu'il est combiné avec des sessions de STCC répétées et la stabilité à long terme de ces améliorations ont été rapportés pour durer jusqu'à plusieurs mois chez des adultes sains ^8-10. Ces résultats ont également suscité un intérêt dans l'utilisation de STCC dans des contextes cliniques et des données préliminaires suggèrent qu'il peut aussi être utile comme une approche primaire ou auxiliaire de traitement dans diverses populations cliniques ^3. Cependant, alors qu'un nombre relativement important d'études s'adresse effets neurophysiologiques de la STCC dans le système de moteur, on sait peu sur les mécanismes neuronaux sous-jacents d'effets STCC sur les fonctions cognitives du cerveau dans la santé et la maladie.Une meilleure compréhension du mode d'action du STCC est une condition préalable nécessaire pour des applications plus ciblées de STCC dans la recherche et les milieux cliniques.

Ce problème peut être résolu en combinant STCC avec des techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle comme l'électroencéphalographie (EEG) ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). La majorité des études sur les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices ont choisi d'utiliser l'IRMf ^11. En particulier, l'IRMf est la technique d'imagerie cérébrale la plus largement utilisée pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices ^11. En outre, lorsqu'il est combiné avec l'application simultanée de STCC, IRMf permet d'examiner les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement avec une résolution spatiale élevée sur l'ensemble du cerveau par rapport à l'EEG (pour une description de ces dernières combinée STCC-EEG voir Schestatsky et al. ^12). Le présent manuscrit décrit èmeutilisation combinée de e STCC pendant simultanée IRMf. Cette nouvelle technique a été utilisée avec succès pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents STCC-induites modulations de fonctions motrices et cognitives ^13-19. Dans l'avenir, ce protocole combiné donnera de nouvelles perspectives sur les mécanismes d'action STCC dans la santé et la maladie. Comprendre l'impact de la STCC sur des réseaux neuronaux à grande échelle selon l'évaluation de cette technique peut jeter les bases d'une application plus ciblée des STCC dans la recherche et les milieux cliniques.

Le manuscrit se concentrera sur les différences entre la STCC comportement expériences et l'utilisation combinée de STCC pendant simultanée IRMf, avec un accent particulier sur les besoins en matériel, la mise en œuvre de la technique, et des considérations de sécurité. A titre d'exemple, une seule session de STCC administrés au gyrus frontal inférieur gauche (IFG) pendant l'état de repos de tâches absent (RS) IRMf et pendant une tâche de langue ^{14, 15} wmal être décrit, mais de nombreuses autres applications sont possibles ^{16, 19.} Les détails de la conception expérimentale, les caractéristiques des participants et les procédures d'analyse des données d'IRMf ont été décrits en détail dans les publications originales ^14,15 et sont au-delà du cadre de la présente manuscrit. En outre, dans ces études, une IRMf supplémentaire scanner qui participent imposture STCC a été acquis et comparés aux résultats de la session atDCS (voir «Les résultats représentatifs" pour les détails). Cette session est identique à celui décrit dans la présente manuscrit, sauf que la stimulation a été arrêté avant le début de la session de balayage (voir la figure 1 pour plus de détails). La présente procédure a été appliquée avec succès à un scanner 3-Tesla Siemens Trio IRM au Centre de Berlin pour Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Allemagne), et devrait en principe être applicable à d'autres scanners ainsi ^13.

Protocole

1. Contre-indications et considérations particulières

1. Bien écran participants pour les contre-indications d'IRM (par exemple, les stimulateurs cardiaques, claustrophobie, etc) et d'exclure si nécessaire. Acquérir des questionnaires standard dans les établissements cliniques ou de recherche qui exploitent des appareils d'IRM. Respectez toujours les règles de sécurité habituelles en entrant dans la salle du scanner.
2. Bien écran participants pour des contre-indications pour STCC. Ceux-ci peuvent se chevaucher avec les contre-indications pour l'IRM. Voir Villamar et al. ²⁰ pour un exemple.
3. Consultez la facilité d'exploitation concernant la sécurité locale et des règles de déontologie et d'obtenir les autorisations nécessaires. Essai pour les artefacts d'imagerie potentiels induits par l'équipement actuel ou tDCS stimulation avant le début de l'expérience réelle (par exemple, en testant l'impact de tDCS le rapport signal-bruit ^{17, 18).}

2. FMConfiguration RI, conception expérimentale et Matériaux

Note: L'utilisation de STCC l'intérieur d'un scanner IRM nécessite un équipement spécial. En particulier, spécifique des câbles compatibles avec l'IRM, boîtes de filtres, des électrodes et des sangles pour attacher des électrodes sur la tête de sujets sont nécessaires. Figure 2 illustre (A) l'équipement standard et STCC (B) des composants pour une utilisation avec l'IRM. Les derniers éléments sont nécessaires pour empêcher la possibilité de chauffage sous les électrodes dues à des impulsions radio-fréquence émis pendant l'IRM. En outre, à haute fréquence artefacts d'imagerie peuvent être induites par le dispositif STCC. Les deux peuvent être évités en utilisant des boîtes de filtres positionnés à l'extérieur et à l'intérieur de la chambre de scanner, des câbles équipés de résistances et d'électrodes en caoutchouc conducteur dédiés compatibles avec l'IRM.

1. Effectuer set-up et des séquences expérimental général pour l'expérience IRMf. Les deux dépendent des objectifs de l'étude. Remarque: le protocole ci-dessous est spécifiéfic de cette expérience, mais peut être révisé à s'appliquer à un certain nombre de situations expérimentales.
2. Utilisez un ordinateur de bureau avec le logiciel de présentation du stimulus installé pour une tâche de langage qui implique la présentation visuelle des catégories sémantiques à l'intérieur du scanner. Présenter ces stimuli sur un écran à l'intérieur du dispositif de balayage par l'intermédiaire d'un projecteur relié à l'ordinateur et un système de miroirs.
3. Utilisez un microphone compatible avec l'IRM pour la transmission des réponses verbales manifestes. L'acquisition de deux séquences fonctionnelles pendant STCC: à cinq minutes de tâches absent RS-séquence et une tâche évidente mot génération sémantique. Remarque: des détails supplémentaires sur le dispositif expérimental, des séquences et des stimuli IRMf ont déjà été décrites en détail ^{14, 15} et la figure 1 illustre l'expérience.
4. Pour mettre en place le dispositif, programme STCC le dispositif pour fournir un courant continu constant de 1 mA pendant 20 minutes pour couvrir toute la durée de l'analyse fonctionnelle de deuxs, y compris courts séjours et pour les instructions entre les deux scans ^{14, 15.} Assurez-vous que le stimulateur est suffisamment chargée; sinon il peut s'arrêter pendant l'expérience.
5. Assurez-vous que tous les documents nécessaires sont disponibles (Figure 2).

3. STCC installation extérieur et l'intérieur du scanner (voir la figure 3 pour une vue d'ensemble schématique)

1. Placer le boîtier de filtre externe à proximité du filtre à haute fréquence (RF) tube (à savoir le point du blindage radiofréquence de l'appareil d'IRM qui peut être utilisé pour insérer des câbles de l'extérieur du dispositif de balayage de pénétration). Connectez stimulateur de la boîte extérieure en utilisant un câble de stimulation. Boîte de filtre interne et externe ne doit pas être mélangé. Remarque: La figure 4A illustre les STCC set-up à l'extérieur du scanner. La boîte extérieure est clairement indiqué sur la figure 4B.
2. Mesurer la longueur de câble nécessaire pour connecter aubergeer avec la boîte extérieure en utilisant le câble de la boîte (voir point suivant concernant le positionnement de câble dans la chambre de scanner). Insérez le câble de la boîte dans le tube de RF de l'extérieur du scanner et connecter avec la boîte de filtre externe (figure 4A).
3. Placer boîtier de filtre interne à l'intérieur de l'extrémité arrière de l'alésage de scanner (figure 5); utiliser du ruban adhésif pour le maintenir en place. Branchez le câble de la boîte avec la boîte de filtre intérieur et éviter les boucles dans les câbles comme ceux-ci peuvent induire un chauffage RF. Remarque: le câble doit être aligné avec les parois de la chambre de scanner et attaché avec un ruban adhésif (figure 3).

4. Participant Préparation et positionnement du participant en Scanner

1. Comme STCC classiques set-ups, inspecter la peau du participant pour toutes les lésions pré-existantes, déplacer cheveu, de la peau avec de l'alcool pour enlever la laque, lotion pour le corps, etc. pour améliorer la conductivité de la peau sous les électrodes ^{12, 21.}
2. Faire tremper poches éponge avec une solution saline et insérer les électrodes compatibles avec l'IRM dans les poches (voir DaSilva ²¹ pour des considérations générales de la préparation des participants et le positionnement de l'électrode).
3. Marquer les positions des électrodes sur la tête des sujets à l'aide d'un stylo qui ne laisse aucune trace ferromagnétiques (par exemple ne pas utiliser l'eyeliner). Déterminer la position cible à l'aide de 10 à 20 pour l'anode système EEG (ici: IFG gauche, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Pour ce faire, recherchez (a) l'intersection de T3-F3 et F7-C3 et (b) le point médian entre F7-F3. La position de destination se trouve au centre d'une ligne reliant les points (a) et (b). Lieu cathode (10 x 10 cm ²⁾ sur la position sus-orbitaire droite (pour les détails de positionnement des électrodes voir Meinzer et al. ^{14, 15).} Appliquez les électrodes à la tête en utilisant la bande de caoutchouc.
4. Guide du participant derrière le scanner et connecter le câble de l'électrode avec le filt intérieureboîte er. Mettez stimulateur et l'impédance de test en appuyant sur la partie supérieure droite et le bouton en bas à gauche du stimulateur simultanément. Si les limites d'impédance sont atteints, alors le stimulateur s'arrête automatiquement. Si cela se produit, vérifier si les électrodes sont en contact avec le cuir chevelu, la peau propre nouveau ou appliquer plus de solution saline si éponges sont devenus trop sec, et puis vérifier si un câble est cassé. Remarque: L'impédance est généralement supérieur à celui de set-up classiques en raison de câbles supplémentaires et des boîtes de filtre entre stimulateur et les électrodes.
5. Guide participant dans la salle du scanner (après un contrôle de sécurité final). Placez le participant sur le portique de scanner et assurez-vous que les électrodes sont toujours dans la bonne position. Fermez la bobine de la tête. Le câble de l'électrode doit être alimenté par la partie inférieure gauche de la bobine de la tête (voir figure 6) ou selon les recommandations du fabricant.
6. Déplacez participant en scanner alésage. Assurez-vous que le câble fairees pas attraper sur le portique et casser (voir la figure 6 pour une possible position de sécurité du câble lors de cette étape). Lorsque le participant a atteint la position finale à l'intérieur du scanner, pour atteindre le câble d'électrode de l'extrémité arrière du scanner et le connecter à la boîte de filtre interne. Remettre le bouton d'urgence de participant et de quitter la salle du scanner.

5. Démarrage de la stimulation

1. Utilisez scanner interphone pour informer le participant sur le début de la session de numérisation. Lancez la numérisation d'alignement de piste structurelle (pour déterminer la position de la tête de participant à scanner et de permettre une planification des analyses fonctionnelles et structurelles ultérieures) utilisant la console de balayage. Inspectez analyse d'alignement de piste pour les objets à haute fréquence: Double-cliquez sur balayage d'alignement de piste après la fin de la période d'acquisition et de régler le contraste (pour Siemens Trio en maintenant le bouton droit de la souris et en déplaçant la souris vers la gauche et la droite, par des exemples, voir les figures 7Aet 7B).
2. Utilisez scanner interphone pour communiquer sur le sujet que la stimulation débutera et qu'il / elle peut ressentir une sensation de picotement sur le cuir chevelu pendant une courte période. Répétez les instructions pour le premier balayage fonctionnelle. Dans cet exemple, demander au participant de garder les yeux fermés pour la durée de l'analyse (5 min), déplacer le moins possible et ne penser à rien en particulier. Assurez-vous que le projecteur est éteint (écran intérieur de l'alésage du scanner est noir) pour éviter la stimulation visuelle pendant RS-scan.
3. Lancer la stimulation manuelle environ 1-2 min avant le début de la première analyse fonctionnelle (RS-scan). Utilisez la console du scanner pour charger RS-séquence. Double-cliquez sur RS-séquence pour ouvrir champ de vision (FOV), mesure de couvrir l'ensemble du cerveau et aligner environ avec la commissure antéro-postérieur ajuster. Démarrez le premier balayage (en utilisant le bouton de numérisation de START).
4. Surveillance de l'impédance pendant toute l'expérience. Remarque: Si l'experiment est effectuée dans un mode double-aveugle (participant et du chercheur sont aveuglés à la stimulation), un deuxième chercheur peut être nécessaire de surveiller l'impédance.
5. Alors que le RS-séquence est en cours d'exécution, charger deuxième séquence d'imagerie fonctionnelle (pour tâche de langue ultérieure) et d'ajuster FOV, en utilisant la console du scanner, comme ci-dessus, de réduire le temps requis entre des recherches. Après la fin de la RS-séquence, tourner sur le projecteur pour permettre l'affichage visuel des stimuli expérimentaux pendant la tâche de la langue. Double-cliquez sur l'icône du logiciel de présentation et le paradigme de la langue de charge. Utilisez scanner interphone de répéter les instructions pour les tâches à accomplir IRMf paradigme et de commencer à la tâche ^{14, 15.}
6. Après la fin de l'expérience de stimulation / IRMf, poursuivre les analyses structurelles prévues. Ne pas débrancher les câbles d'électrodes jusqu'à la fin de la session de numérisation.
7. A la fin de l'expérience, débrancher le câble de l'électrode de la boîte de filtre interne avant de passer participant àde scanner alésage. Retirer participant du scanner, détacher la bobine de la tête et de demander au participant de s'asseoir et retirez soigneusement les électrodes.

Résultats

L'IRM fonctionnelle est la technique la plus largement utilisée de l'imagerie fonctionnelle pour répondre aux mécanismes neuronaux sous-jacents de fonctions motrices ou cognitives. Plus récemment, l'IRMf a également été utilisé pour évaluer STCC effets sur l'activité corticale et la connectivité. Cependant, la plupart de ces études STCC administrés en dehors du scanner et évalué les effets hors de la stimulation (c.-à-administré STCC avant la numérisation ^{22, 23).} Se...

Discussion

L'application combinée de STCC avec simultanée IRMf a montré un potentiel pour élucider les fondements neuraux des effets immédiats de la stimulation sur l'ensemble du cerveau à haute résolution spatiale ^13-19. Dans l'avenir, de telles études peuvent être complétées par des études combinées EEG-STCC, pour exploiter la résolution temporelle supérieure de cette dernière technique. En outre, intrascanner stimulation permet de vérifier le bon positionnement des électrodes sur le cuir...

matériels

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 (7 cm x 5 cm and 10 cm x 10 cm)	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