Transcranica diretta stimolazione corrente e simultanea Magnetic Resonance Imaging funzionale

Riepilogo

Transcranica stimolazione in corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva. E 'stato utilizzato con successo nella ricerca di base e impostazioni cliniche di modulare la funzione del cervello nell'uomo. Questo articolo descrive l'implementazione di tDCS e simultanea risonanza magnetica funzionale (fMRI), per indagare le basi neurali degli effetti tDCS.

Abstract

Transcranica stimolazione in corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che utilizza deboli correnti elettriche somministrate al cuoio capelluto per manipolare eccitabilità corticale e, di conseguenza, il comportamento e la funzione del cervello. Nell'ultimo decennio, numerosi studi hanno affrontato a breve e lungo termine effetti di tDCS sulle diverse misure di prestazioni comportamentali durante compiti motori e cognitivi, sia in soggetti sani e in un certo numero di diverse popolazioni di pazienti. Finora, tuttavia, poco si sa circa le basi neurali della tDCS-action in esseri umani per quanto riguarda le reti del cervello di grandi dimensioni. Questo problema può essere affrontato combinando tDCS con tecniche di imaging funzionale del cervello come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) o elettroencefalografia (EEG).

In particolare, fMRI è la tecnica di imaging cerebrale più utilizzata per studiare i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni di motore. Applicatisu tDCS durante fMRI permette l'analisi dei meccanismi neurali alla base degli effetti comportamentali tDCS con alta risoluzione spaziale attraverso l'intero cervello. Recenti studi che utilizzano questa tecnica identificati stimolazione cambiamenti indotti nelle attività cerebrale funzionale compito legate al sito di stimolazione e anche nelle regioni del cervello più lontane, che sono stati associati con un miglioramento comportamentale. Inoltre, tDCS somministrati durante il riposo dallo Stato fMRI ha permesso l'identificazione di cambiamenti diffusi in tutta la connettività funzionale del cervello.

Futuri studi che utilizzano questo protocollo combinato dovrebbero produrre nuove conoscenze sui meccanismi d'azione tDCS in nuove opzioni per l'applicazione più mirato di tDCS nella ricerca e contesti clinici salute e malattia e. Il presente manoscritto descrive questa nuova tecnica in modo step-by-step, con un focus sugli aspetti tecnici della tDCS somministrati durante fMRI.

Introduzione

Stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è un metodo non invasivo di stimolazione cerebrale in cui funzionamento corticale viene modulata mediante una debole corrente elettrica (tipicamente 1-2 mA) previsto tra due elettrodi sul cuoio capelluto-apposti. Fisiologicamente, tDCS induce un cambiamento di polarità-dipendente neuronale potenziale di membrana a riposo (RMP) nella regione corticale mirati attraverso la manipolazione dei canali del sodio e di calcio, promuovendo in tal modo variazioni di eccitabilità corticale ^1. In particolare, la stimolazione anodica (atDCS) ha dimostrato di aumentare l'attività corticale mediante depolarizzazione neuronale RMP, mentre la stimolazione catodica (ctDCS) riduce l'eccitabilità corticale ^2. Rispetto ad altri tipi di stimolazione cerebrale (ad esempio, la stimolazione magnetica transcranica) la sicurezza è stata ben stabilita e finora senza gravi effetti collaterali sono stati segnalati anche in popolazioni vulnerabili ^{3, 4.} Inoltre, almeno per loesiste intensità di stimolazione mannaro (fino a 1 mA), un placebo efficace ("sham") condizione di stimolazione ^5, permettendo efficace accecamento dei partecipanti e dei ricercatori alle condizioni di stimolazione, rendendo tDCS uno strumento interessante nelle impostazioni di ricerca sperimentale e clinica.

Numerosi studi finora hanno dimostrato che questi cambiamenti nella eccitabilità corticale possono comportare modulazioni comportamentali. Nel sistema motorio, effetti dipendenti polarità coerenti sono stati riportati ^{1, 6} per entrambi atDCS e ctDCS. Negli studi cognitivi, la maggior parte degli studi che hanno impiegato atDCS per migliorare le funzioni cognitive riferito effetti benefici sulle prestazioni ^7, mentre ctDCS spesso non hanno comportato l'elaborazione cognitiva. Quest'ultimo può essere spiegato dalla maggiore ridondanza delle risorse di elaborazione neurali alla base della cognizione ^6. La maggior parte degli studi tDCS hanno impiegato disegni cross-over a studiaregli effetti immediati della stimolazione, che sopravvivono alla cessazione della corrente solo per brevi periodi di tempo ^1. Tuttavia, è stato suggerito che i ripetuti impatti stimolazione sulla sintesi proteica, cioè il meccanismo neurale sottostante acquisizione di abilità ^8. Infatti, il motore o il successo training cognitivo possono essere aumentati quando combinato con sessioni tDCS ripetuti e stabilità a lungo termine di questi miglioramenti sono stati segnalati per durare fino a diversi mesi in adulti sani ^8-10. Questi risultati hanno suscitato un interesse per l'uso della tDCS in contesti clinici e dati preliminari suggeriscono che può anche essere utile come un approccio di trattamento primario o coadiuvante in diverse popolazioni cliniche ^3. Tuttavia, mentre un numero relativamente elevato di studi indirizzato effetti neurofisiologici della tDCS nel sistema motorio, poco si sa circa i meccanismi neurali alla base degli effetti tDCS sulle funzioni cognitive del cervello in salute e malattia.Una migliore comprensione del meccanismo d'azione di tDCS è un prerequisito necessario per le applicazioni più mirate di tDCS nella ricerca e nella clinica.

Questo problema può essere affrontato combinando tDCS con tecniche di imaging funzionale del cervello come l'elettroencefalografia (EEG) o la risonanza magnetica funzionale (fMRI). La maggior parte degli studi che indagano i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni motorie hanno scelto di impiegare fMRI ^11. In particolare, fMRI è la tecnica di imaging cerebrale più utilizzata per studiare i meccanismi neurali alla base di cognizione e funzioni di motore ^11. Inoltre, quando combinato con l'applicazione simultanea di tDCS, fMRI permette l'esame dei meccanismi neurali alla base degli effetti comportamentali tDCS con maggiore risoluzione spaziale attraverso l'intero cervello rispetto a EEG (per i recenti descrizioni di combinata tDCS-EEG vedere Schestatsky et al. ^12). Il presente manoscritto descrive thuso e combinato di tDCS durante la simultanea fMRI. Questa nuova tecnica è stata utilizzata con successo per studiare i meccanismi neurali alla base tDCS-indotta modulazioni di funzioni motorie e cognitive ^13-19. In futuro, questo protocollo combinato produrrà nuove intuizioni sui meccanismi di azione tDCS nella salute e nella malattia. Comprendere l'impatto della tDCS su reti neurali su larga scala come valutato con questa tecnica può porre le basi per un'applicazione più mirata della tDCS nella ricerca e nella clinica.

Il manoscritto si concentrerà sulle differenze tra tDCS comportamentali esperimenti e l'uso combinato di tDCS durante la simultanea fMRI, con particolare enfasi sui requisiti hardware, l'attuazione della tecnica, e considerazioni di sicurezza. A titolo di esempio, una singola sessione di tDCS somministrati al giro frontale inferiore sinistro (IFG) durante la task-assente riposo-stato (RS) e fMRI durante un compito linguaggio ^{14, 15} will essere descritta, anche se molte altre applicazioni sono possibili ^{16, 19.} Dettagli del disegno sperimentale, caratteristiche dei partecipanti e procedure di analisi dati fMRI sono state descritte in dettaglio nelle pubblicazioni originali ^14,15 e sono al di là del campo di applicazione della presente manoscritto. Inoltre, in questi studi, un ulteriore scansione fMRI che sham coinvolte tDCS è stato acquisito e confrontato i risultati della sessione atDCS (vedi "I risultati rappresentativi" per i dettagli). Questa sessione era identica a quella descritta nel presente manoscritto, tranne che la stimolazione è stato interrotto prima dell'inizio della sessione di scansione (vedere la Figura 1 per i dettagli). La presente procedura è stata implementata con successo in uno scanner 3-Tesla Siemens Trio risonanza magnetica presso il Centro di Berlino for Advanced Imaging (Charité Università di Medicina, Berlino, Germania), e dovrebbe, in linea di principio essere applicabile ad altri scanner e ^13.

Protocollo

1. Controindicazioni e considerazioni speciali

1. Vagliare accuratamente partecipanti per controindicazioni MRI (ad esempio pacemaker, claustrofobia, ecc) ed escludere, se necessario. Acquisire questionari standard presso istituti clinici o di ricerca che operano scanner MRI. Rispettare sempre le procedure di sicurezza standard quando si entra nella stanza dello scanner.
2. Vagliare accuratamente partecipanti per controindicazioni per tDCS. Questi possono sovrapporsi con controindicazioni per la risonanza magnetica. Per un esempio, vedere Villamar et al. ^20.
3. Consultare l'impianto operativo in materia di sicurezza locale e le normative di etica e di ottenere le autorizzazioni necessarie. Prova per potenziali artefatti di imaging indotte al materiale attuale o stimolazione tDCS prima dell'inizio dell'esperimento effettivo (quali l'analisi dell'impatto della tDCS sul rapporto segnale-rumore ^{17, 18).}

2. FMRI installazione, disegno sperimentale, e Materiali

Nota: L'uso di tDCS all'interno di uno scanner MRI richiede attrezzature speciali. In particolare, specifico sono richiesti cavi compatibili con la risonanza magnetica, scatole filtro, elettrodi e cinghie per il fissaggio degli elettrodi sulla testa dei soggetti. Figura 2 illustra (A) attrezzature tDCS serie e (B) componenti per l'utilizzo con la risonanza magnetica. Questi ultimi componenti sono necessari per evitare la possibilità di riscaldamento sotto gli elettrodi a causa di impulsi a radiofrequenza emessi durante MRI. Inoltre, artefatti di imaging ad alta frequenza possono essere indotti dal dispositivo tDCS. Entrambi possono essere evitati utilizzando le caselle di filtri posizionati all'esterno e all'interno del locale scanner, cavi dotati di resistenze e gli elettrodi in gomma conduttiva compatibili con la risonanza magnetica dedicata.

1. Eseguire generale set-up e le sequenze sperimentale per l'esperimento fMRI. Entrambi dipendono sugli obiettivi dello studio. Nota: il protocollo seguito è specific a questo esperimento, ma può essere rivisto da applicare a diverse situazioni sperimentali.
2. Utilizzare un computer desktop con software di presentazione dello stimolo installato per un'attività linguaggio che coinvolge presentazione visiva delle categorie semantiche all'interno dello scanner. Presentare questi stimoli su uno schermo all'interno dello scanner con un videoproiettore collegato al computer e un sistema di specchi.
3. Utilizzare un microfono compatibile con la risonanza magnetica per la trasmissione delle risposte verbali palesi. Acquisire due sequenze funzionali durante tDCS: a cinque minuti task-assente RS-sequenza e un compito parola generazione semantica palese. Nota: ulteriori dettagli del set-up sperimentale, sequenze fMRI e stimoli hanno già state descritte in dettaglio ^{14, 15} e la Figura 1 illustra l'esperimento.
4. Per impostare il dispositivo, programma tDCS al dispositivo di erogare una corrente costante diretta di 1 mA per 20 min a coprire l'intera durata dei due scansione funzionales, tra cui brevi pause e il tempo per le istruzioni in tra le scansioni ^{14, 15.} Assicurarsi sicuro che lo stimolatore è sufficientemente carica; altrimenti può arrestare durante l'esperimento.
5. Assicurarsi che tutti i materiali necessari sono disponibili (Figura 2).

3. Setup tDCS all'esterno e all'interno dello scanner (vedere la Figura 3 per una schematica panoramica)

1. Posizionare la scatola filtro esterno vicino al filtro a radio frequenza (RF) tubo (cioè il punto di penetrazione nello scudo radiofrequenza dello scanner MRI che può essere utilizzato per inserire cavi dall'esterno dello scanner). Collegare stimolatore con la scatola esterna utilizzando un cavo stimolatore. Scatola filtro interno ed esterno non deve essere confuso. Nota: La Figura 4A illustra le tDCS set-up di fuori dello scanner. La scatola esterna è chiaramente indicata in Figura 4B.
2. Misurare la lunghezza del cavo necessaria per collegare inner con la scatola esterna tramite cavo di dialogo (vedi punto successivo per quanto riguarda il posizionamento del cavo in camera scanner). Inserire casella cavo nel tubo RF dall'esterno dello scanner e collegare con la scatola filtro esterno (Figura 4A).
3. Posizionare scatola filtro interno dentro l'estremità posteriore del foro scanner (Figura 5); usare nastro adesivo per tenerlo in posizione. Collegare il cavo scatola con scatola filtro interno e di evitare loop in tutti i cavi come questi possono indurre riscaldamento RF. Nota: il cavo deve essere allineato con le pareti della stanza scanner e fissato con nastro adesivo (Figura 3).

4. Partecipanti Preparazione e posizionamento del partecipante in Scanner

1. Come con tDCS tradizionali set-up, ispezionare la pelle del partecipante per eventuali lesioni pre-esistenti, spostare i capelli lontano, pelle pulita con alcool per rimuovere la lacca, lozione per il corpo, ecc. per migliorare la conducibilità della pelle sotto gli elettrodi ^{12, 21.}
2. Bagnare tasche spugna con soluzione fisiologica e inserire gli elettrodi compatibili MRI nelle tasche (vedi DaSilva ²¹ per considerazioni generali di preparazione dei partecipanti e posizionamento degli elettrodi).
3. Posizioni degli elettrodi Segna sulle teste dei soggetti utilizzando una penna che non lascia tracce ferromagnetici (ad esempio non utilizzare eyeliner). Determinare la posizione di destinazione per l'anodo con 10-20 sistema EEG (qui: a sinistra IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Per fare ciò, individuare (a) l'intersezione di T3-F3 e F7-C3 e (b) il punto intermedio tra F7-F3. La posizione target è al centro di una linea di collegamento punti (a) e (b). Luogo catodo (10 x 10 cm ²⁾ su posizione sopraorbitali destra (per i dettagli di posizionamento degli elettrodi vedere Meinzer et al. ^{14, 15).} Attaccare gli elettrodi alla testa con elastico.
4. Guida del partecipante dietro lo scanner e collegare il cavo elettrodo con il filt internobox er. Accendere stimolatore e impedenza test premendo il pulsante in alto a destra e in basso a sinistra dello stimolatore contemporaneamente. Se vengono raggiunti i limiti di impedenza, quindi lo stimolatore si arresterà automaticamente. In questo caso, verificare se gli elettrodi sono di nuovo a contatto con il cuoio capelluto, pelle pulita o applicare più soluzione fisiologica se le spugne sono diventate troppo secca, e poi controllare se il cavo è rotto. Nota: impedenza è in genere più elevata rispetto ai tradizionali set-up a causa di ulteriori cavi e scatole filtro tra stimolatore e gli elettrodi.
5. Guida partecipante nella stanza scanner (dopo un controllo di sicurezza finale). Posizionare il partecipante sulla torre scanner e assicurarsi che gli elettrodi sono ancora in posizione corretta. Chiudere la bobina testa. Il cavo dell'elettrodo dovrebbe essere alimentato attraverso la parte inferiore sinistra della bobina testa (vedere Figura 6) o secondo le raccomandazioni del fabbricante.
6. Spostare partecipante nel foro scanner. Assicurarsi che il cavo nones non prendere sul cavalletto e rompere (vedere Figura 6 per una possibile posizione sicura del cavo durante questa fase). Quando il partecipante ha raggiunto la posizione finale all'interno dello scanner, per raggiungere il cavo dell'elettrodo dall'estremità posteriore dello scanner e collegarlo alla scatola filtro interno. Consegnare pulsante di emergenza per partecipante e lasciare la stanza dello scanner.

5. Avvio del Stimolazione

1. Utilizzare scanner citofono per informare i partecipanti circa l'inizio della sessione di scansione. Avviare la scansione localizzatore strutturale (per determinare la posizione della testa del partecipante scanner e consentire la pianificazione delle successive scansioni funzionali e strutturali) utilizzando la console di scansione. Ispezionare scansione localizzatore per artefatti ad alta frequenza: Fare doppio clic su scan localizzatore dopo la fine del periodo di acquisizione e regolare il contrasto (per Siemens Trio tenendo premuto il tasto destro del mouse e spostando il mouse a destra ea sinistra, per esempio, vedi figure 7Ae 7B).
2. Utilizzare scanner interfono per comunicare al soggetto che la stimolazione inizierà e che lui / lei potrebbe sentire una sensazione di formicolio sul cuoio capelluto per un breve periodo. Ripetere le istruzioni per la prima scansione funzionale. In questo esempio, indicare al partecipante di tenere gli occhi chiusi per tutta la durata della scansione (5 min), spostare il meno possibile e pensare a nulla in particolare. Assicurarsi che il proiettore sia spento (schermo all'interno del foro scanner è nero) per evitare la stimolazione visiva durante RS-scan.
3. Inizia stimolazione manualmente circa 1-2 min prima dell'inizio della prima scansione funzionale (RS-scan). Utilizzare console scanner per caricare RS-sequenza. Fare doppio clic su RS-sequenza per aprire il campo di vista (FOV), regolare la posizione di coprire l'intero cervello e allineare approssimativamente con la commessura anteriore-posteriore. Avviare la prima scansione (utilizzando il pulsante Avvia scansione).
4. Monitorare l'impedenza tutto l'esperimento. Nota: Se l'experiment è condotta in una modalità in doppio cieco (partecipante e ricercatore sono accecati alla stimolazione), un secondo ricercatore può essere necessario monitorare l'impedenza.
5. Mentre la RS-sequenza è in esecuzione, caricare seconda sequenza di imaging funzionale (per una successiva attività di lingua) e regolare FOV, con console scanner come sopra, per ridurre il tempo richiesto tra le scansioni. Dopo la fine del RS-sequenza, attivare proiettore per consentire la visualizzazione di stimoli sperimentali durante compito lingua. Fare doppio clic sull'icona del software di presentazione e il paradigma lingua carico. Utilizzare scanner citofono per ripetere le istruzioni per la attività relative fMRI paradigma e cominciare con attività ^{14, 15.}
6. Dopo la fine dell'esperimento stimolazione / fMRI, continuare con le scansioni strutturali previste. Non scollegare cavi per elettrodi fino alla fine della sessione di scansione.
7. Alla fine dell'esperimento, scollegare il cavo elettrodo dalla scatola filtro interno prima di trasferirsi partecipante fuoridel foro scanner. Rimuovere partecipante dallo scanner, staccare la bobina testa e chiedere al partecipante di sedersi e rimuovere con attenzione gli elettrodi.

Risultati

La risonanza magnetica funzionale è la tecnica di imaging funzionale più utilizzata per affrontare i meccanismi neurali alla base delle funzioni motorie o cognitive. Più di recente, fMRI è stato utilizzato anche per valutare gli effetti tDCS sull'attività corticale e la connettività. Tuttavia, la maggior parte di questi studi tDCS somministrato esterna dello scanner e valutati gli effetti della stimolazione offline (cioè tDCS somministrato prima della scansione ^{22, 23).} Solo pochi studi fi...

Discussione

L'applicazione combinata di tDCS con simultanea fMRI ha mostrato il potenziale per chiarire le basi neurali degli effetti immediati della stimolazione attraverso l'intero cervello con alta risoluzione spaziale ^13-19. In futuro, tali studi possono essere integrati da studi combinati EEG-tDCS, per sfruttare la risoluzione temporale superiore di quest'ultima tecnica. Inoltre, intrascanner stimolazione consente la verifica della corretta posizione degli elettrodi sul cuoio capelluto (ad esempio

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
DC-Stimulator Plus	NeuroConn, Illmenau, Germany	21
Hardware extension DC-Stimulator MR (2 MRI compatible rubber electrodes, electrode and box cable and inner filter box; outer filter box and stimulator cable)	NeuroConn, Illmenau, Germany
2 sponge pads for rubber electrodes (7x5 and 10x10 ccm)	NeuroConn, Illmenau, Germany
Rubber head band
NaCL solution
Measurement tape			To determine electrode position using the EEG 10-20 system
Pen			Used during electrode positioning