Ce travail a été soutenu par des subventions de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (AF: 379-8/1; 379-10/1, 379-11/1 et par DFG-HT-257, UL: 423/1-1), le Bundesministerium für Bildung und Forschung (AF: FKZ0315673A et 01GY1144; AF et MM: 01EO0801), l&#39;allemand d&#39;échanges universitaires (AF: DAAD-54391829), Go8 Australie - Régime Allemagne commun de recherche de la coopération (DC: 2011001430), Else-Kröner Fresenius Stiftung (AF: 2009-141; RL: 2011-119) et l&#39;Australian Research Council (DC: ARC FT100100976; MM: ARC FT120100608). Nous remercions Kate Palier pour aide à la rédaction.

1. Contre-indications et considérations particulières <ol><li> Bien écran participants pour les contre-indications d&#39;IRM (par exemple, les stimulateurs cardiaques, claustrophobie, etc) et d&#39;exclure si nécessaire. Acquérir des questionnaires standard dans les établissements cliniques ou de recherche qui exploitent des appareils d&#39;IRM. Respectez toujours les règles de sécurité habituelles en entrant dans la salle du scanner. </li><li> Bien écran participants pour des contre-indications pour STCC. Ceux-ci peuvent se chevaucher avec les contre-indications pour l&#39;IRM. Voir Villamar et al. 20 pour un exemple. </li><li> Consultez la facilité d&#39;exploitation concernant la sécurité locale et des règles de déontologie et d&#39;obtenir les autorisations nécessaires. Essai pour les artefacts d&#39;imagerie potentiels induits par l&#39;équipement actuel ou tDCS stimulation avant le début de l&#39;expérience réelle (par exemple, en testant l&#39;impact de tDCS le rapport signal-bruit 17, 18). </li></ol> 2. FMConfiguration RI, conception expérimentale et Matériaux Note: L&#39;utilisation de STCC l&#39;intérieur d&#39;un scanner IRM nécessite un équipement spécial. En particulier, spécifique des câbles compatibles avec l&#39;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&#39;équipement standard et STCC (B) des composants pour une utilisation avec l&#39;IRM. Les derniers éléments sont nécessaires pour empêcher la possibilité de chauffage sous les électrodes dues à des impulsions radio-fréquence émis pendant l&#39;IRM. En outre, à haute fréquence artefacts d&#39;imagerie peuvent être induites par le dispositif STCC. Les deux peuvent être évités en utilisant des boîtes de filtres positionnés à l&#39;extérieur et à l&#39;intérieur de la chambre de scanner, des câbles équipés de résistances et d&#39;électrodes en caoutchouc conducteur dédiés compatibles avec l&#39;IRM. <ol><li> Effectuer set-up et des séquences expérimental général pour l&#39;expérience IRMf. Les deux dépendent des objectifs de l&#39;étude. Remarque: le protocole ci-dessous est spécifiéfic de cette expérience, mais peut être révisé à s&#39;appliquer à un certain nombre de situations expérimentales. </li><li> 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&#39;intérieur du scanner. Présenter ces stimuli sur un écran à l&#39;intérieur du dispositif de balayage par l&#39;intermédiaire d&#39;un projecteur relié à l&#39;ordinateur et un système de miroirs. </li><li> Utilisez un microphone compatible avec l&#39;IRM pour la transmission des réponses verbales manifestes. L&#39;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&#39;expérience. </li><li> 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&#39;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&#39;arrêter pendant l&#39;expérience. </li><li> Assurez-vous que tous les documents nécessaires sont disponibles (Figure 2). </li></ol> 3. STCC installation extérieur et l&#39;intérieur du scanner (voir la figure 3 pour une vue d&#39;ensemble schématique) <ol><li> Placer le boîtier de filtre externe à proximité du filtre à haute fréquence (RF) tube (à savoir le point du blindage radiofréquence de l&#39;appareil d&#39;IRM qui peut être utilisé pour insérer des câbles de l&#39;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&#39;extérieur du scanner. La boîte extérieure est clairement indiqué sur la figure 4B. </li><li> 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&#39;extérieur du scanner et connecter avec la boîte de filtre externe (figure 4A). </li><li> Placer boîtier de filtre interne à l&#39;intérieur de l&#39;extrémité arrière de l&#39;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). </li></ol> 4. Participant Préparation et positionnement du participant en Scanner <ol><li> Comme STCC classiques set-ups, inspecter la peau du participant pour toutes les lésions pré-existantes, déplacer cheveu, de la peau avec de l&#39;alcool pour enlever la laque, lotion pour le corps, etc. pour améliorer la conductivité de la peau sous les électrodes 12, &lt;sup&gt; 21. </li><li> Faire tremper poches éponge avec une solution saline et insérer les électrodes compatibles avec l&#39;IRM dans les poches (voir DaSilva 21 pour des considérations générales de la préparation des participants et le positionnement de l&#39;électrode). </li><li> Marquer les positions des électrodes sur la tête des sujets à l&#39;aide d&#39;un stylo qui ne laisse aucune trace ferromagnétiques (par exemple ne pas utiliser l&#39;eyeliner). Déterminer la position cible à l&#39;aide de 10 à 20 pour l&#39;anode système EEG (ici: IFG gauche, 5 x 7 cm 2) 14, 15. Pour ce faire, recherchez (a) l&#39;intersection de T3-F3 et F7-C3 et (b) le point médian entre F7-F3. La position de destination se trouve au centre d&#39;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. </li><li> Guide du participant derrière le scanner et connecter le câble de l&#39;électrode avec le filt intérieureboîte er. Mettez stimulateur et l&#39;impédance de test en appuyant sur la partie supérieure droite et le bouton en bas à gauche du stimulateur simultanément. Si les limites d&#39;impédance sont atteints, alors le stimulateur s&#39;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&#39;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. </li><li> 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&#39;électrode doit être alimenté par la partie inférieure gauche de la bobine de la tête (voir figure 6) ou selon les recommandations du fabricant. </li><li> 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&#39;intérieur du scanner, pour atteindre le câble d&#39;électrode de l&#39;extrémité arrière du scanner et le connecter à la boîte de filtre interne. Remettre le bouton d&#39;urgence de participant et de quitter la salle du scanner. </li></ol> 5. Démarrage de la stimulation <ol><li> Utilisez scanner interphone pour informer le participant sur le début de la session de numérisation. Lancez la numérisation d&#39;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&#39;alignement de piste pour les objets à haute fréquence: Double-cliquez sur balayage d&#39;alignement de piste après la fin de la période d&#39;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). </li><li> Utilisez scanner interphone pour communiquer sur le sujet que la stimulation débutera et qu&#39;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&#39;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&#39;alésage du scanner est noir) pour éviter la stimulation visuelle pendant RS-scan. </li><li> 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&#39;ensemble du cerveau et aligner environ avec la commissure antéro-postérieur ajuster. Démarrez le premier balayage (en utilisant le bouton de numérisation de START). </li><li> Surveillance de l&#39;impédance pendant toute l&#39;expérience. Remarque: Si l&#39;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&#39;impédance. </li><li> Alors que le RS-séquence est en cours d&#39;exécution, charger deuxième séquence d&#39;imagerie fonctionnelle (pour tâche de langue ultérieure) et d&#39;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&#39;affichage visuel des stimuli expérimentaux pendant la tâche de la langue. Double-cliquez sur l&#39;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. </li><li> Après la fin de l&#39;expérience de stimulation / IRMf, poursuivre les analyses structurelles prévues. Ne pas débrancher les câbles d&#39;électrodes jusqu&#39;à la fin de la session de numérisation. </li><li> A la fin de l&#39;expérience, débrancher le câble de l&#39;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&#39;asseoir et retirez soigneusement les électrodes. </li></ol>

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Les auteurs n&#39;ont rien à révéler.

L&#39;application combinée de STCC avec simultanée IRMf a montré un potentiel pour élucider les fondements neuraux des effets immédiats de la stimulation sur l&#39;ensemble du cerveau à haute résolution spatiale 13-19. Dans l&#39;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...

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&#39;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&#39;excitabilité corticale 1. Plus précisément, la stimulation anodique (atDCS) a été montré pour augmenter l&#39;activité corticale par dépolarisation neuronale de RMP pendant la stimulation cathodique (ctDCS) réduit l&#39;excitabilité corticale 2. Comparé à d&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;acquisition de compétences neural sous-jacent 8. En effet, le moteur ou la réussite de l&#39;entraînement cognitif peuvent être améliorées lorsqu&#39;il est combiné avec des sessions de STCC répétées et la stabilité à long terme de ces améliorations ont été rapportés pour durer jusqu&#39;à plusieurs mois chez des adultes sains 8-10. Ces résultats ont également suscité un intérêt dans l&#39;utilisation de STCC dans des contextes cliniques et des données préliminaires suggèrent qu&#39;il peut aussi être utile comme une approche primaire ou auxiliaire de traitement dans diverses populations cliniques 3. Cependant, alors qu&#39;un nombre relativement important d&#39;études s&#39;adresse effets neurophysiologiques de la STCC dans le système de moteur, on sait peu sur les mécanismes neuronaux sous-jacents d&#39;effets STCC sur les fonctions cognitives du cerveau dans la santé et la maladie.Une meilleure compréhension du mode d&#39;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&#39;imagerie cérébrale fonctionnelle comme l&#39;électroencéphalographie (EEG) ou l&#39;imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). La majorité des études sur les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices ont choisi d&#39;utiliser l&#39;IRMf 11. En particulier, l&#39;IRMf est la technique d&#39;imagerie cérébrale la plus largement utilisée pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents des fonctions cognitives et motrices 11. En outre, lorsqu&#39;il est combiné avec l&#39;application simultanée de STCC, IRMf permet d&#39;examiner les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement avec une résolution spatiale élevée sur l&#39;ensemble du cerveau par rapport à l&#39;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&#39;avenir, ce protocole combiné donnera de nouvelles perspectives sur les mécanismes d&#39;action STCC dans la santé et la maladie. Comprendre l&#39;impact de la STCC sur des réseaux neuronaux à grande échelle selon l&#39;évaluation de cette technique peut jeter les bases d&#39;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&#39;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&#39;exemple, une seule session de STCC administrés au gyrus frontal inférieur gauche (IFG) pendant l&#39;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&#39;analyse des données d&#39;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&quot; 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&#39;autres scanners ainsi 13.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="662">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">DC-Stimulator Plus</td>
			<td style="width:147px;">NeuroConn, Illmenau, Germany</td>
			<td align="right" style="width:133px;">21</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="126">
			<td height="126" style="height:126px;width:216px;">Hardware extension DC-Stimulator MR (2 MRI compatible rubber electrodes, electrode and box cable and inner filter box; outer filter box and stimulator cable)</td>
			<td style="width:147px;">NeuroConn, Illmenau, Germany</td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">2 sponge pads for rubber electrodes (7x5 and 10x10 ccm)</td>
			<td style="width:147px;">NeuroConn, Illmenau, Germany</td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Rubber head band</td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">NaCL solution</td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Measurement tape</td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td>To determine electrode position using the EEG 10-20 system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pen</td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:133px;"></td>
			<td>Used during electrode positioning</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

transcranial direct current stimulation and simultaneous  functional magnetic resonance imaging

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&#39;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&#39;à présent, toutefois, on sait peu sur les fondements neuronaux de la STCC action chez l&#39;homme en ce qui concerne les réseaux de cerveau à grande échelle. Ce problème peut être résolu en combinant STCC avec des techniques d&#39;imagerie cérébrale fonctionnelle comme l&#39;imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ou l&#39;électroencéphalographie (EEG). En particulier, l&#39;IRMf est la technique d&#39;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&#39;analyser les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de STCC comportement à haute résolution spatiale sur l&#39;ensemble du cerveau. Des études récentes utilisant cette technique identifiés stimulation changements induits dans l&#39;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&#39;état de repos IRMf a permis l&#39;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&#39;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&#39;IRMf.

L&#39;IRM fonctionnelle est la technique la plus largement utilisée de l&#39;imagerie fonctionnelle pour répondre aux mécanismes neuronaux sous-jacents de fonctions motrices ou cognitives. Plus récemment, l&#39;IRMf a également été utilisé pour évaluer STCC effets sur l&#39;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...

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Transcranial Direct Current Stimulation and Simultaneous  Functional Magnetic Resonance Imaging

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&#39;homme. Cet article décrit la mise en œuvre de la STCC et l&#39;imagerie par résonance magnétique fonctionnelle simultanée (IRMf), pour étudier les bases neurales de STCC effets.

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

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique that uses weak electrical currents administered to the scalp ...

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Research

JoVE Journal

Behavior

21.6K vues.  University of Queensland.  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. 

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Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and molecular approaches allow the investigation of either different stimuli on few neurons, or one stimulus in large parts of the brain, blood oxygenation level dependent (BOLD) functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) allows combining both advantages, i.e. compare the neural activation induced by different stimuli in the entire brain at once. fMRI in songbirds is challenging because of the small size of their brains and because their bones and especially their skull comprise numerous air cavities, inducing important susceptibility artifacts. Gradient-echo (GE) BOLD fMRI has been successfully applied to songbirds 1-5 (for a review, see 6). These studies focused on the primary and secondary auditory brain areas, which are regions free of susceptibility artifacts. However, because processes of interest may occur beyond these regions, whole brain BOLD fMRI is required using an MRI sequence less susceptible to these artifacts. This can be achieved by using spin-echo (SE) BOLD fMRI 7,8 . In this article, we describe how to use this technique in zebra finches (Taeniopygia guttata), which are small songbirds with a bodyweight of 15-25 g extensively studied in behavioral neurosciences of birdsong. The main topic of fMRI studies on songbirds is song perception and song learning. The auditory nature of the stimuli combined with the weak BOLD sensitivity of SE (compared to GE) based fMRI sequences makes the implementation of this technique very challenging.

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

This article shows an optimized procedure for imaging of the neural substrates of auditory stimulation in the songbird brain using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). It describes the preparation of the sound stimuli, the positioning of the subject and the acquisition and subsequent analysis of the fMRI data.

Imagerie par résonance magnétique (IRMf) avec une stimulation auditive chez les oiseaux chanteurs

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and ...

Recherche

Sciences du comportement

Best Current Practice for Obtaining High Quality EEG Data During Simultaneous fMRI

Simultaneous EEG-fMRI allows the excellent temporal resolution of EEG to be combined with the high spatial accuracy of fMRI. The data from these two modalities can be combined in a number of ways, but all rely on the acquisition of high quality EEG and fMRI data. EEG data acquired during simultaneous fMRI are affected by several artifacts, including the gradient artefact (due to the changing magnetic field gradients required for fMRI), the pulse artefact (linked to the cardiac cycle) and movement artifacts (resulting from movements in the strong magnetic field of the scanner, and muscle activity). Post-processing methods for successfully correcting the gradient and pulse artifacts require a number of criteria to be satisfied during data acquisition. Minimizing head motion during EEG-fMRI is also imperative for limiting the generation of artifacts.
Interactions between the radio frequency (RF) pulses required for MRI and the EEG hardware may occur and can cause heating. This is only a significant risk if safety guidelines are not satisfied. Hardware design and set-up, as well as careful selection of which MR sequences are run with the EEG hardware present must therefore be considered.
The above issues highlight the importance of the choice of the experimental protocol employed when performing a simultaneous EEG-fMRI experiment. Based on previous research we describe an optimal experimental set-up. This provides high quality EEG data during simultaneous fMRI when using commercial EEG and fMRI systems, with safety risks to the subject minimized. We demonstrate this set-up in an EEG-fMRI experiment using a simple visual stimulus. However, much more complex stimuli can be used. Here we show the EEG-fMRI set-up using a Brain Products GmbH (Gilching, Germany) MRplus, 32 channel EEG system in conjunction with a Philips Achieva (Best, Netherlands) 3T MR scanner, although many of the techniques are transferable to other systems.

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional Magnetic Resonance imaging (fMRI) is a powerful neuroimaging tool. However, the inside of an MRI scanner forms a difficult environment for EEG data recording and safety must be considered whenever operating EEG equipment inside a scanner. Here, we present an optimised EEG-fMRI data acquisition protocol.

Meilleures pratiques actuelles pour l&#39;obtention de données à haut EEG de qualité lors de l&#39;IRMf simultanées

Simultaneous  EEG-fMRI allows the excellent temporal resolution of EEG to be combined with the  high spatial accuracy of fMRI. The data  from these two ...

Simultaneous EEG Monitoring During Transcranial Direct Current Stimulation

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a technique that delivers weak electric currents through the scalp. This constant electric current induces shifts in neuronal membrane excitability, resulting in secondary changes in cortical activity. Although tDCS has most of its neuromodulatory effects on the underlying cortex, tDCS effects can also be observed in distant neural networks. Therefore, concomitant EEG monitoring of the effects of tDCS can provide valuable information on the mechanisms of tDCS. In addition, EEG findings can be an important surrogate marker for the effects of tDCS and thus can be used to optimize its parameters. This combined EEG-tDCS system can also be used for preventive treatment of neurological conditions characterized by abnormal peaks of cortical excitability, such as seizures. Such a system would be the basis of a non-invasive closed-loop device. In this article, we present a novel device that is capable of utilizing tDCS and EEG simultaneously. For that, we describe in a step-by-step fashion the main procedures of the application of this device using schematic figures, tables and video demonstrations. Additionally, we provide a literature review on clinical uses of tDCS and its cortical effects measured by EEG techniques.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive brain stimulation technique that has shown initial therapeutic effects in several neurological conditions. The main mechanism underlying these therapeutic effects is the modulation of cortical excitability. Therefore, online monitoring of cortical excitability would help guide stimulation parameters and optimize its therapeutic effects. In the present article we review the use of a novel device that combines simultaneous tDCS and EEG monitoring in real time.

Surveillance EEG simultanée pendant transcrânienne courant de stimulation

Transcranial  direct current stimulation (tDCS) is a technique that delivers weak electric  currents through the scalp. This constant electric current ...

Stimulating the Lip Motor Cortex with Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. Researchers have used single-pulse and repetitive TMS to stimulate the lip representation in the motor cortex. The excitability of the lip motor representation can be investigated by applying single TMS pulses over this cortical area and recording TMS-induced motor evoked potentials (MEPs) via electrodes attached to the lip muscles (electromyography; EMG). Larger MEPs reflect increased cortical excitability. Studies have shown that excitability increases during listening to speech as well as during&#160;viewing speech-related movements. TMS can be used also to disrupt the lip motor representation. A 15-min train of low-frequency sub-threshold repetitive stimulation has been shown to suppress motor excitability for a further 15-20 min. This TMS-induced disruption of the motor lip representation impairs subsequent performance in demanding speech perception tasks and modulates auditory-cortex responses to speech sounds. These findings are consistent with the suggestion that the motor cortex contributes to speech perception. This article describes how to localize the lip representation in the motor cortex and how to define the appropriate stimulation intensity for carrying out both single-pulse and repetitive TMS experiments.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception.&#160; This article describes how to record motor evoked potentials (MEPs) from the lip muscles and how to disrupt the motor lip representation using repetitive TMS.

Stimuler la lèvre Cortex moteur avec la stimulation magnétique transcrânienne

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. ...

Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe, non-invasive brain stimulation technique that uses a strong electromagnet in order to temporarily disrupt information processing in a brain region, generating a short-lived &#8220;virtual lesion.&#8221; Stimulation that interferes with task performance indicates that the affected brain region is necessary to perform the task normally. In other words, unlike neuroimaging methods such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) that indicate correlations between brain and behavior, TMS can be used to demonstrate causal brain-behavior relations. Furthermore, by varying the duration and onset of the virtual lesion, TMS can also reveal the time course of normal processing. As a result, TMS has become an important tool in cognitive neuroscience. Advantages of the technique over lesion-deficit studies include better spatial-temporal precision of the disruption effect, the ability to use participants as their own control subjects, and the accessibility of participants. Limitations include concurrent auditory and somatosensory stimulation that may influence task performance, limited access to structures more than a few centimeters from the surface of the scalp, and the relatively large space of free parameters that need to be optimized in order for the experiment to work. Experimental designs that give careful consideration to appropriate control conditions help to address these concerns. This article illustrates these issues with TMS results that investigate the spatial and temporal contributions of the left supramarginal gyrus (SMG) to reading.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a technique for non-invasively disrupting neural information processing and measuring its effect on behavior. When TMS interferes with a task, it indicates that the stimulated brain region is necessary for normal task performance, allowing one to systematically relate brain regions to cognitive functions.

Stimulation magnétique transcrânienne pour l&#39;étude des relations causales Brain-comportementales et leur temps de parcours

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe, non-invasive brain stimulation technique that uses a strong electromagnet in order to temporarily ...

Modulating Cognition Using Transcranial Direct Current Stimulation of the Cerebellum

Numerous studies have emerged recently that demonstrate the possibility of modulating, and in some cases enhancing, cognitive processes by exciting brain regions involved in working memory and attention using transcranial electrical brain stimulation. Some researchers now believe the cerebellum supports cognition, possibly via a remote neuromodulatory effect on the prefrontal cortex. This paper describes a procedure for investigating a role for the cerebellum in cognition using transcranial direct current stimulation (tDCS), and a selection of information-processing tasks of varying task difficulty, which have previously been shown to involve working memory, attention and cerebellar functioning. One task is called the Paced Auditory Serial Addition Task (PASAT) and the other a novel variant of this task called the Paced Auditory Serial Subtraction Task (PASST). A verb generation task and its two controls (noun and verb reading) were also investigated. All five tasks were performed by three separate groups of participants, before and after the modulation of cortico-cerebellar connectivity using anodal, cathodal or sham tDCS over the right cerebellar cortex. The procedure demonstrates how performance (accuracy, verbal response latency and variability) could be selectively improved after cathodal stimulation, but only during tasks that the participants rated as difficult, and not easy. Performance was unchanged by anodal or sham stimulation. These findings demonstrate a role for the cerebellum in cognition, whereby activity in the left prefrontal cortex is likely dis-inhibited by cathodal tDCS over the right cerebellar cortex. Transcranial brain stimulation is growing in popularity in various labs and clinics. However, the after-effects of tDCS are inconsistent between individuals and not always polarity-specific, and may even be task- or load-specific, all of which requires further study. Future efforts might also be guided towards neuro-enhancement in cerebellar patients presenting with cognitive impairment once a better understanding of brain stimulation mechanisms has emerged.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) over the cerebellum exerts a remote effect on the prefrontal cortex, which can modulate cognition and performance. This was demonstrated using two information-processing tasks of varying complexity, whereby only cathodal tDCS improved performance when the task was difficult, but not easy.

Cognition moduler l&#39;aide transcrânienne à courant de stimulation du cervelet

Numerous studies have emerged recently that demonstrate the possibility of modulating, and in some cases enhancing, cognitive processes by exciting brain ...

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.

Configuration multifonctions pour l&#39;étude de contrôle du moteur humain utilisant la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, Motion Capture, et Réalité Virtuelle

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

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 guidée Répétitive stimulation magnétique transcrânienne pour Aphasia

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

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS)

Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to integrate cognitive neural processes. Transcranial alternating current stimulation (tACS) holds the promise to elucidate the causal link between specific frequencies of oscillatory brain activity and cognitive processes. Simultaneous electroencephalography (EEG) recording during tACS would offer an opportunity to directly explore immediate neurophysiological effects of tACS. However, it is not trivial to measure EEG signals during tACS, as tACS creates a huge artifact in EEG data. Here we explain how to set up concurrent tACS-EEG experiments. Two necessary considerations for successful EEG recording while applying tACS are highlighted. First, bridging of the tACS and EEG electrodes via leaking EEG gel immediately saturates the EEG amplifier. To avoid bridging via gel, the viscosity of the EEG gel is the most important parameter. The EEG gel must be viscous to avoid bridging, but at the same time sufficiently fluid to create contact between the tACS electrode and the scalp. Second, due to the large amplitude of the tACS artifact, it is important to consider using an EEG system with a high resolution analog-to-digital (A/D) converter. In particular, the magnitude of the tACS artifact can exceed 100 mV at the vicinity of a stimulation electrode when 1 mA tACS is applied. The resolution of the A/D converter is of importance to measure good quality EEG data from the vicinity of the stimulation site. By following these guidelines for the procedures and technical considerations, successful concurrent EEG recording during tACS will be realized.

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation tACS

In this article we explain how to set up a concurrent transcranial alternating current stimulation and EEG experiment.

Concurrent enregistrement électroencéphalographie Pendant transcrânienne à courant alternatif de stimulation (TAC)

Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to ...

Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to the Unilateral Hemisphere of Rat Brain

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45&#176; to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.

We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45&#176;. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.

Répétitif stimulation magnétique transcrânienne à l&#39;Unilatérale hémisphère de cerveau de rat

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, ...

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

PLAYLIST