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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Corrente alternata la stimolazione transcranica (TAC) permette la modulazione dell'eccitabilità corticale in un modo frequenza-specifico. Qui vi mostriamo un approccio unico che combina online TAC con singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) al fine di "sondare" eccitabilità corticale mediante potenziali evocati motore.

Abstract

Corrente alternata la stimolazione transcranica (TAC) è una tecnica di neuromodulatory in grado di agire attraverso forme d'onda sinusoidali elettriche in una specifica frequenza e a loro volta modulano in corso attività oscillatoria corticale. Questo neurotool consente l'istituzione di un nesso di causalità tra attività oscillatoria endogeno e comportamento. La maggior parte degli studi TAC hanno dimostrato effetti di TAC. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa i meccanismi di azione di questa tecnica a causa i manufatti AC-indotto sui segnali di elettroencefalografia (EEG). Qui vi mostriamo un approccio unico per studiare online effetti fisiologici di frequenza specifico di TAC della corteccia motoria primaria (M1) utilizzando singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) per sondare le modifiche eccitabilità corticale. Nel nostro setup, la bobina TMS è posizionata sopra l'elettrodo di TAC, mentre i potenziali evocati motori (MEP) sono raccolti per verificare gli effetti dei M1-TAC in corso. Finora, questo approccio è stato utilizzato principalmente per studiare i sistemi visive e motori. Tuttavia, l'installazione corrente di TAC-TMS può spianare la strada per le indagini future delle funzioni cognitive. Pertanto, le forniamo un manuale passo-passo e video linee guida per la procedura.

Introduzione

Stimolazione elettrica transcranica (tES) è una tecnica di neuromodulatory che consente la modifica degli stati neuronali attraverso diversi attuali forme d'onda1. Tra diversi tipi di tES, transcranial stimolazione a corrente alternata (TAC) consente la consegna dei potenziali oscillatori esterni sinusoidale in una gamma di frequenza specifica e la modulazione dell'attività neurale fisiologica sottostante percettivo, motorio e cognitivo processi2. Mediante TAC, è possibile studiare potenziali relazioni causali tra attività oscillatoria endogeno e processi cerebrali.

In vivo, è stato dimostrato che chiodare l'attività neurale è sincronizzato a diverse frequenze, guida, suggerendo che il firing neuronale può essere trascinato da campi elettricamente applicati3. Nei modelli animali, debole TAC sinusoidale trascina la frequenza di Scarica del pool neuronale corticale diffusa4. In esseri umani, TAC combinato con online elettroencefalografia (EEG) permette l'induzione al cosiddetto effetto "Trascinamento" su attività oscillatoria endogeno interagendo con le oscillazioni del cervello in un modo specifico di frequenza5. Tuttavia, combinando TAC con metodi di neuroimaging per una migliore comprensione dei meccanismi online è ancora discutibile a causa di artefatti indotta da AC6. Inoltre, non è possibile registrare direttamente il segnale EEG sopra l'area di destinazione stimolato senza l'utilizzo di un elettrodo di forma di anello che è una soluzione discutibile7. Così, c'è una mancanza di studi sistematici su questo argomento.

Finora, non c'è alcuna chiara evidenza circa gli effetti durevoli del TAC dopo cessazione di stimolazione. Solo pochi studi hanno indicato gli post-effetti deboli e poco chiari di TAC sul sistema motorio8. Inoltre, la prova di EEG non è ancora chiara circa le conseguenze della TAC9. D'altra parte, molti studi di TAC hanno mostrato effetti online prominenti10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, che sono difficili da misurare a livello fisiologico a causa di vincoli tecnici. Così, l'obiettivo generale del nostro metodo è quello di fornire un approccio alternativo per verificare gli effetti online e dipendente dalla frequenza dei TAC sulla corteccia di motore (M1) fornendo singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS). TMS permette ai ricercatori di "sonda" lo stato fisiologico del corteccia motoria umana19. Inoltre, registrando i potenziali evocati motori (MEP) sulla mano controlaterale del soggetto, possiamo studiare gli effetti dei TAC in corso11. Questo approccio ci permette con precisione monitor cambiamenti nell'eccitabilità corticospinale misurando l'ampiezza MEP durante stimolazione elettrica online consegnata a diverse frequenze in modo priva di artefatti. Inoltre, questo approccio può anche testare online effetti di qualsiasi altra forma d'onda di tES.

Per dimostrare gli effetti combinati dei TAC-TMS, ci mostrerà il protocollo applicando la stimolazione 20 Hz AC sopra la corteccia motoria primaria (M1) mentre online neuronavigated singolo impulso TMS viene recapitato intervallata da intervalli casuali da 3 a 5 s al fine di testare M1 eccitabilità corticale.

Protocollo

tutte le procedure sono state approvate dal comitato etico locale ricerca della Higher School of Economics (HSE), a Mosca, con il consenso di tutti i partecipanti.

Nota: i partecipanti non devono presentarsi la storia di dispositivi impiantati in metallo, malattia neurologica o psichiatrica, abuso di droga o alcolismo. TMS è usato secondo le più recenti linee guida sicurezza 20. Soggetti devono essere pienamente informati della natura della ricerca e segno un modulo di consenso informato prima di iniziare l'esperimento. Vi mostriamo un intero set di attrezzature necessarie per eseguire il protocollo online-combinato TAC-TMS da stimolazione della M1 dominante ( Figura 1; Tabella dei materiali).

1. elettrodi posto l'elettromiografia (EMG) in un montaggio di pancia-tendine bipolare

  1. pulire la pelle con un peeling pulizia sotto tutti gli elettrodi per raggiungere impedenza della pelle bassa (inferiore a 10 kOhm).
  2. Posizionare l'elettrodo attivo EMG sul primo muscolo interosseous dorsale (FDI), elettrodo di riferimento sull'osso 2 cm distalmente e l'elettrodo di terra più prossimalmente sul braccio

2. Identificare il Target per il protocollo di stimolazione

Nota: qui, usiamo il sistema di navigazione di TMS senza telaio per ottenere un corretto posizionamento della bobina TMS.

  1. Posizionare i sensori di rilevamento sopra la glabella tra le sopracciglia e sopra il naso del partecipante.
  2. Aprire il software di sistema di navigazione. Utilizzare singoli partecipanti ' dati strutturali T1 Imaging a risonanza magnetica (MRI) ed eseguire una co-registrazione del partecipante ' s testa e una testa di MRI 3D tramite il sistema di navigazione.
  3. Con precisione, posizionare la bobina sopra la mano-area motoria primaria, la cosiddetta " motore manopola " regione ( Figura 2).
  4. Iniziare ad applicare singolo impulso TMS e testare i deputati; TMS è consegnato da uno stimolatore (Vedi Tabella materiali) collegato ad una bobina di 75 mm figura--otto standard. Per localizzare il " hotspot " della sinistra M1, tenere la bobina tangenziale del cuoio capelluto, con il manico rivolto all'indietro e lateralmente, inclinato di 45° rispetto all'asse sagittale del midline del partecipante ' testa di s.
  5. Viene individuata l'area sensibile (cioè, il punto di cuoio capelluto suscitamento deputati alla soglia da controlaterale ha esaminato i muscoli della mano), segnare con una matita per facilitare l'applicazione dell'elettrodo bersaglio TAC.

3. TAC preparazione di elettrodi

  1. Connect 2 elettrodi di superficie spugna imbevuta di soluzione fisiologica (dimensioni: 5 x 7 cm) per il dispositivo di stimolazione, che può generare corrente elettrica alternata (ad es., Brainstim).
  2. Al fine di ridurre al minimo la sensazione di pelle, costantemente saturare gli elettrodi con una soluzione salina per mantenere impedenze sotto 10 kOhm in tutta la seduta di stimolazione tutto.

4. TAC protocollo Set Up

  1. per impostare il protocollo di TAC utilizzando il dispositivo di stimolatore, verificare innanzitutto lo stato della batteria.
  2. Utilizzando il software, aprire una nuova sessione e gestire un nuovo protocollo di stimolazione.
    1. Nome del protocollo (ad esempio, " Beta ").
    2. Impostare la frequenza della stimolazione (ad es., 20Hz).
    3. Scegliere la forma d'onda (per esempio, sinusoidale).
    4. Impostare la durata totale del protocollo di stimolazione (ad es., 600 s).
    5. Infine, impostare l'intensità di stimolazione (ad es., 1 mA), impostare offset, dissolvenza in entrata, dissolvenza e fase presso " 0 ".
      Nota: un po' di tempismo per fade in e fuori la stimolazione (circa 30 s) possono essere suggerite, al fine di evitare eventuali effetti negativi o scomodi neurosensoriali per il soggetto.
    6. Attivare il dispositivo ' s " Bluetooth " funzione e caricare il protocollo dal software allo stimolatore.

5. TAC elettrodi Montage

  1. posto il " target " elettrodo sopra il cuoio capelluto corrispondente al punto contrassegnato. Posto il " riferimento " elettrodo sopra la spalla ipsilateral utilizzando nastro adesivo specifico, in un " monopolare montage " 21.
  2. Regolare con cura la prima cinghia elastica sulla testa rispetto alla posizione di testa-sensori di neuro-navigazione. Quindi, utilizzando il secondo cinturino, fissare la posizione di elettrodo bersaglio.
  3. Una volta TAC gli elettrodi sono disposti sia sul cuoio capelluto e sulla spalla ipsilateral, collegarli allo stimolatore.
  4. Prima dell'inizio della seduta di elettrostimolazione, accertarsi mediante ispezione visiva che la posizione dell'elettrodo bersaglio è centrato sopra l'hotspot contrassegnato.

6. Identificare la soglia motore a riposo (RMT)

  1. posto la TMS bobina sopra l'elettrodo di TAC di destinazione e regolare con cura la posizione della bobina sopra il punto caldo ( Figura 3) utilizzando il sistema neuro-navigazione.
  2. Misurare la RMT di conseguenza per il setup di combinato TAC-TMS (cioè, TMS bobina sopra l'elettrodo). In particolare, regolare l'intensità TMS rispetto allo spessore dell'elettrodo TAC al fine di verificare per un affidabile RMT.
    1. Misurare la RMT individualmente, è definito come l'intensità minima richiesta per indurre un MEP nel muscolo FDI con un'ampiezza di 50 mV (picco-picco) in 5 su 10 prove 22.
  3. Impostare l'intensità della stimolazione TMS al 110% della RMT al fine di avviare la sessione sperimentale.

7. procedura sperimentale

  1. aprire il software di EMG e avviare la registrazione EMG.
  2. Iniziare la stimolazione TAC.
  3. Durante la stimolazione, fornire singoli impulsi TMS, inframmezzati da intervalli casuali da 3 a 5 secondi.
  4. Garantire che ogni sessione della stimolazione (ad es., 20Hz TAC stimolazione seguita da una frequenza di sham/un altro controllo) dura non più di 90 secondi con un intervallo di Inter-sessione circa 3 minuti, al fine di evitare possibili riporto effetto dei precede la stimolazione frequenza/condizione 11 , 13.

Risultati

La prima prova di un approccio combinato di TAC/TMS è stata indicata da Kanai et nel 2010. In quello studio, gli autori hanno applicato TAC sopra la corteccia visiva primaria (V1) e ha dimostrato una frequenza specifica modulazione dell'eccitabilità corticale visual misurata da online indotta da TMS phosphene percezione15. Una versione più raffinata del protocollo è stata adottata per studiare una fisiologica modulazione dell'eccitabilità della cortec...

Discussione

Questo approccio rappresenta un'occasione unica per testare direttamente online effetti di TAC della corteccia motoria primaria misurando corticospinal uscita attraverso i deputati di registrazione. Tuttavia, il posizionamento della bobina TMS sopra l'elettrodo TAC rappresenta una fase critica che deve essere eseguita con precisione. Pertanto, in primo luogo vorremmo suggerire gli sperimentatori trovano un punto di destinazione di singolo impulso TMS, poi segnano sul cuoio capelluto e, solo dopo che, posizionare l'elettr...

Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Riconoscimenti

Questo studio è stato sostenuto dal russo Science Foundation grant (numero di contratto: 17-11-01273). Ringraziamento speciale Andrey Afanasov e colleghi dal centro polifunzionale di innovazione per televisione Technics (National Research University, Higher School of Economics, Moscow, Russia) per la registrazione video e video editing.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
BrainStim, high-resolution transcranial stimulatorE.M.S., Bologna, ItalyEMS-BRAINSTIM
Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodesE.M.S., Bologna, ItalyEMS-CVBS15
Reusable conductive silicone electrodes 50x50mmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG970/2
Reusable spontex sponge for electrode 50x100mmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG916S
Rubber belts – 75 cmE.M.S., Bologna, ItalyFIA-ER-PG905/8
Plastic non traumatic buttonE.M.S., Bologna, ItalyFIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., Bologna, Italy
MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulatorMagVenture, Farum, Denmark9016E0731
8-shaped coil MC-B65-HO-2MagVenture, Farum, Denmark9016E0462
Chair with neckrestMagVenture, Farum, Denmark9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium editionLocalite, GmbH, Germany21223
Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi)Localite, GmbH, Germany10226
MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1Localite, GmbH, Germany5221
Electrode wires for surface EMG EBNeuro, Italy 6515
Surface Electrodes for EEG/EMG EBNeuro, Italy 6515
BrainAmp ExG amplifier - bipolar amplifier Brain Products, GmbH, Germany
 BrainVision Recorder 1.21.0004 Brain Products, GmbH, Germany
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company, USA
Syringes
Sticky tape
NaCl solution

Riferimenti

  1. Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
  2. Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum. Neurosci. 7, 279 (2013).
  3. Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
  4. Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
  5. Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  6. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
  7. Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527 (2016).
  8. Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
  9. Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311 (2015).
  10. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  11. Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
  12. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
  13. Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
  14. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
  15. Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
  16. Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090 (2015).
  17. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  18. Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
  19. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
  20. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  21. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54 (2015).
  22. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  23. Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
  24. Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
  25. Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39 (2012).
  26. Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
  28. Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
  29. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).

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