経頭蓋直流電気刺激と同時機能的磁気共鳴画像

要約

経頭蓋直流電流刺激（TDCは）は非侵襲的脳刺激法である。これは正常ヒト脳機能を調節するために、基礎研究および臨床の設定で使用されている。この記事では、TDCは効果の神経基盤を調べるために、TDCは同時機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の実装について説明します。

要約

経頭蓋直流刺激（TDCは）は微弱な電気皮質興奮性を操作するために頭皮に投与した電流と、結果的に、行動および脳機能を使用して非侵襲的脳刺激技術である。過去10年間では、多くの研究は、健常者と異なる患者集団の数の両方で、モータと認知課題時の行動性能の異なる措置TDCは、短期および長期的な効果に取り組んでいる。しかし、これまではほとんど大規模な脳のネットワークに関して、ヒトにおけるTDCは作用の神経基盤について知られている。この問題は、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）または脳波（EEG）のような脳機能イメージング技術とを組み合わせることによって、TDCは対処することができる。

具体的には、fMRIの、認知機能および運動機能の根底にある神経機構を調査するために最も広く使用されている脳のイメージング技術である。アプリケーションシートfMRIの中のTDCは上の脳全体にわたって高い空間分解能でTDCは行動的効果の基礎となる神経機構の解析が可能になる。この手法を用いた最近の研究では、行動の改善と関連していた刺激部位にタスク関連脳機能活動のと、より遠くの脳領域における刺激誘発変化を同定した。また、安静状態fMRIの中に投与TDCは、全脳の機能的結合の広範な変化の同定を可能にした。

この組み合わせプロトコルを使用して、将来の研究では、健康と病気の研究や臨床現場でのTDCは、よりター​​ゲットを絞ったアプリケーションのための新しいオプションでのTDCは作用機序に新たな洞察が得られるはずです。現在の原稿がfMRIの中に投与TDCはの技術的な側面に焦点を当て、ステップ·バイ·ステップ方式でこの新規技術が記載されている。

概要

経頭蓋直流刺激（TDCは）は、皮質機能する二つの頭皮に固定された電極間に投影された微弱な電流（、典型的には1〜2 MA）​​を用いて変調される脳刺激の非侵襲的方法である。生理学的に、TDCは、それによって¹皮質興奮性の変化を促進し、ナトリウム及びカルシウムチャネルの操作により標的皮質領域内のニューロンの静止膜電位（RMP）における極性依存性のシフトを誘発する。具体的には、陽極刺激（atDCS）が陰極刺激（ctDCS）は皮質興奮性^2を削減しながら、神経細胞のRMPの脱分極を経由して皮質活動を増加させることが示されています。脳刺激の他のタイプと比較して（ 例えば、経頭蓋磁気刺激）の安全性は十分に確立されており、これまでに重篤な副作用があっても脆弱な集団^3、図4に報告されていない。また、少なくともLO用（1ミリアンペアまで）の刺激強度WER、効果的なプラセボ（「偽」）刺激条件は、TDCはを実験的および臨床研究の設定で魅力的なツールをレンダリングする、刺激条件に参加者と研究者の効果的な盲目を可能に^5が存在する。

多数の研究がこれまでに皮質興奮性におけるこれらの変化は、行動のモジュレーションをもたらし得ることを示している。モータシステムにおいて、一貫性のある極性依存効果はatDCSとctDCS両方に対して^6,1報告され^ている。 ctDCSが頻繁に認知処理を生じなかったが、認知の研究では、認知機能を向上させatDCSを用いた研究の大半は、性能⁷に有益な効果を報告した。後者は認知^6の基礎となる神経の処理リソースをより冗長性に ​​よって説明されるかもしれない。 TDCは研究の大半は研究するクロスオーバーのデザインを採用している時間だけ¹の短期間の現在の終了を長持ち刺激の即効性、。しかしながら、基礎となる神経機構技能習得^8、すなわちタンパク質合成に対する刺激の影響を、繰り返しことが示唆されている。繰り返しTDCはセッションおよびこれらの改良の長期安定性は、健康な成人^8-10に数ヶ月まで持続することが報告されていると組み合わされたとき実際に、モータまたは認知トレーニングの成功を向上させることができる。このような知見は、臨床状況におけるTDCはの使用への関心を引き起こしており、予備データは、それはまた、種々の臨床集団³における一次又は補助的治療法として有用であり得ることを示唆している。研究は、比較的多数のモータシステムにおけるTDCは神経生理学の影響に対処しつつ、しかし、少しは、健康および疾患における認知脳機能に対するTDCは効果の基礎となる神経機構についてはほとんど知られていない。TDCはの作用機序をよりよく理解するには、研究と臨床現場でのTDCは、よりター​​ゲットを絞ったアプリケーションにとって必要な前提条件である。

この問題は、脳波（EEG）または機能的磁気共鳴画像法（fMRI）のような脳機能イメージング技術とを組み合わせることによって、TDCは対処することができる。認知と運動機能の基礎となる神経機構を調査した研究の大半は、fMRIの^11を採用することを選択しました。具体的には、fMRIの、認知機能および運動機能^11の基礎となる神経機構を研究するために最も広く使用されている脳のイメージング技術である。 TDCはの同時アプリケーションと組み合わせることでさらに、fMRIのは、脳波に比べて脳全体にわたる高い空間分解能での行動TDCは効果の基礎となる神経機構（組み合わせTDCは、脳波の最近の説明については、Schestatsky らを参照してください^。12）の検査を可能にする。現在の原稿が目について説明します同時fMRIの中のTDCはのEを併用する。この新しい技術は正常に運動と認知機能^13〜19のTDCは誘発される変調方式の基礎となる神経機構を研究するために使用されています。将来的には、この組み合わせプロトコルは、健康と病気におけるTDCは作用機序に新たな洞察が得られます。この手法で評価されるような大規模ニューラルネットワーク上のTDCはの影響を理解することは、研究と臨床現場でのTDCは、よりター​​ゲットを絞ったアプリケーションのための基礎を築くことがあります。

原稿は、特定のハードウェア要件に重点を置いて、技術の実装、および安全性を考慮して、行動TDCは実験と同時fMRIの中のTDCはを併用することとの違いに焦点を当てます。例として、タスク不在安静状態（RS）fMRIの中に、言語タスク^14、15ワットの間、左下前頭回（IFG）に投与されたTDCは、単一のセッション他の多くのアプリケーションが^19、16可能であるが、病気について説明する。実験計画は、参加者特性およびfMRIのデータ解析手順の詳細は、元の刊行物^14,15に詳細に記載し、本論文の範囲を超えているされている。さらに、これらの研究では、追加のfMRIのは、関係シャムTDCはは（詳細については、「代表的な結果」を参照）を取得し、atDCSセッションの結果と比較したことをスキャンします。このセッションでは、刺激は（詳細については図1を参照）前のスキャンセッションの開始を中止したことを除いて、本原稿に記載のものと同一であった。現在の手順が正常に進んイメージング（シャリテ大学医学部、ベルリン、ドイツ）ベルリンセンターで3テスラシーメンストリオMRIスキャナで実装されており、原理的には他のスキャナだけでなく^、13に適用可能であるべきである。

プロトコル

1。禁忌と特別な考慮事項

1. 徹底的にMRI禁忌（ 例えばペースメーカー、閉所恐怖症など ）の参加者を選別し、必要に応じて除外します。 MRIスキャナを操作する臨床や研究機関で標準のアンケートを取得する。スキャナ室に入るときには、常に標準的な安全手順に従う。
2. 徹底的にTDCは禁忌のための参加者を選別。これらは、MRIのための禁忌が重なっていてもよい。例えばヴィラマールら ^20を参照してください。
3. 地域の安全と倫理規程に関する営業機能と相談し、必要な権限を取得します。前（信号対雑音比^17、18にTDCはの影響をテストすることによって）実際の実験の開始に刺激電流やTDCは機器によって誘発される可能性のある画像アーチファクトのためのテスト。

2。のfMRIのセットアップ、実験計画、および材料

注：MRIスキャナ内部のTDCはの使用は、特別な装置を必要とします。特に、特定のMRI適合性ケーブル、フィルタボックス、電極と被験者の頭部に電極を取り付けるためのストラップが必要である。2（A）は 、標準TDCは装置を示し、MRIで使用するための（B）成分の図 。後者の成分は、MRI中に放出された高周波パルスに起因する電極の下の加熱の可能性を防ぐために必要である。また、高周波イメージングアーチファクトがTDCは装置によって誘導することができる。両方の外側とスキャナ室の内側に配置されたフィルタ·ボックス、抵抗器および専用MRI適合性導電性ゴム電極を備えたケーブルを使用することによって防止することができる。

1. fMRIの実験のために、一般的な実験の設定とシーケンスを実行します。どちらも、研究の目的によって異なります。注意：以下のプロトコルは仕様です異なる実験多くの状況に適用するために、この実験にFICが、改訂することができます。
2. スキャナ内部の意味カテゴリの視覚的な表現を伴う言語タスク用にインストール刺激呈示ソフトウェアを使用してデスクトップコンピュータを使用してください。コンピュータとミラーのシステムに接続されたプロジェクタを介してスキャナ内部の画面上でこれらの刺激を提示する。
3. あからさまな言葉の応答を送信するためのMRI適合性マイクを使用しています。 5分間のタスク不在のRS-系列と明白なセマンティックワード生成タスク：TDCは中に2つの機能的配列を取得する。注：実験設定のさらなる詳細を、fMRIの配列および刺激が以前に詳細^14,15に記載されており、 図1は、実験を示す。
4. デバイスは二つの機能の​​スキャンの全期間をカバーするために20分間の1ミリアンペアの直流定電流を供給するためにTDCはデバイス、プログラムを設定するには短い休憩やスキャン^14、15の間の指示のための時間を含め、S、。刺激装置が十分に充電されていることを確認を確認してください。それ以外の場合は、実験中にシャットダウンする場合があります。
5. すべての必要な材料は（ 図2）が使用可能であることを確認してください。

3。TDCはセットアップは、外側と本体内部（回路図の概要については、図3を参照してください）

1. 無線周波フィルタ（RF）チューブ（スキャナの外部からケーブルを挿入するために使用することができるMRIスキャナの無線周波数シールド、すなわち貫入点）に近い外側のフィルターボックスを配置します。刺激装置ケーブルを使用して、外箱に刺激装置を接続します。内側と外側のフィルターボックスを混同してはいけません。注： 図4Aは、スキャナの外側TDCはセットアップを示す。外箱は、明らかに、図4Bにマークされています。
2. インを接続するために必要な措置ケーブル長箱のケーブルを使用して、外箱とER（スキャナ室でのケーブルの配置に関する次のポイントを参照してください）​​。スキャナの外部から高周波チューブにボックスケーブルを挿入し、外側のフィルターボックス（ 図4A）で接続します。
3. スキャナボア（ 図5）の後端部の内側に内部フィルターボックスを配置。所定の位置に保つために粘着テープを使用しています。内部フィルターボックスとボックスのケーブルを接続し、これらはRF加熱を引き起こす可能性があるすべてのケーブルのループを避ける。注：ケーブルがスキャナ室の壁と整列し、粘着テープ（ 図3）を添付する必要があります。

4。参加者の準備とスキャナでの参加者の位置づけ

1. アップを設定し、従来のTDCはと同じように、ヘアスプレー、ボディローションなどを除去して、離れてアルコールで清潔な肌に、髪を動かし、任意の既存の病変のため参加者の皮膚を検査します。 < ^電極12の下の皮膚の導電性を向上させるため> 21 SUP。
2. 食塩水でスポンジポケットソークし、（参加者の準備と電極の配置の一般的な考慮事項についてダシルバ^21を参照） ^をポケットにMRI適合性の電極を挿入します。
3. 何強磁性痕跡（ 例えばアイライナーを使用しない）を残さないペンを使用して被験者の頭のマーク電極位置。 10-20 EEGシステムを用いて、陽極のターゲット位置を決定する（ここではIFG、5×7 cm ^{2の左端）14、15。}そのためには、（a）は、T3-F3の交点F7-C3およびF7-F3間（B）の中間点を探します。目標位置は、点（a）および（b）を結ぶ線分の中心にある。場所陰極（10×10cm ^2の ）右眼窩上にわたって位置（電極配置の詳細についてはMeinzer ら ^14、15を参照されたい）。ゴムバンドを使用して頭に電極を取り付けます。
4. スキャナの背後に参加者を案内し、内部FILTで電極ケーブルを接続するERボックス。同時に、刺激の右上と左下のボタンを押すことで、刺激とテストインピーダンスの電源をオンにします。インピーダンスの限界に達した場合には、刺激装置は自動的に停止します。この問題が発生した場合は、再度、電極を頭皮との接触を持っているかどうか清潔な肌をチェックしたり、スポンジが乾燥しすぎになっている場合は、より生理食塩水を適用し、任意のケーブルが切断されたかどうかを確認します。注意：インピーダンスが原因で、刺激と電極の間に追加のケーブルやフィルタボックスの従来のセット·アップに比べて一般的に高い。
5. （最終安全確認後）スキャナ室に参加者を案内する。スキャナガントリに参加者を置き、電極を正しい位置に残っていることを確認してください。ヘッドコイルを閉じます。電極ケーブルは、ヘッドコイルの左下を通って供給（ 図6を参照）、または製造業者の推奨に従ってすべきである。
6. スキャナボアに参加者を移動させる。ケーブルがないことを確認してくださいESガントリにキャッチし、（この段階でケーブルの可能性、安全な位置については、図6を参照）壊さない。参加者は、スキャナ内部の最終位置に到達したときに、スキャナの後端から電極ケーブルのために達すると、それは内側フィルタボックスに接続する。参加者に緊急ボタンを引き渡すとスキャナの余地を残す。

5。刺激を開始

1. スキャンセッションの開始について参加者に通知するために、スキャナインターホンを使用してください。スキャンコンソールを使用して（スキャナで参加者の頭の位置を決定し、その後の機能的および構造的スキャンの計画を可能にするために）構造的なローカライザースキャンを開始します。高周波アーティファクトのローカライザースキャンを検査：取得期間の終了後にローカライザースキャンをダブルクリックして、マウスの右ボタンを押しながら左右にマウスを動かすことで、シーメンス·トリオのためのコントラストを（調整;例については、 図7Aを参照してください。および7B）。
2. 刺激が始まると、彼/彼女は、短い時間のため頭皮にチクチクする感覚を感じるかもしれないということを対象に通信するためにスキャナインターホンを使用してください。第一の機能のスキャンのための命令を繰り返します。この例では、スキャン（5分）の間、目を閉じておく、可能な限り少し移動して、特に何を考えて参加者に指示する。プロジェクタは、RS-スキャン中に視覚刺激を避けるために、（スキャナボア内部の画面は黒です）オフになっていることを確認します。
3. 刺激を開始する前に手動で最初の機能のスキャン（RS-スキャン）の開始まで約1〜2分。 RS-シーケンスをロードするようにスキャナコンソールを使用してください。開くには、RS-シーケンスをダブルクリックして視野（FOV）、脳全体をカバーし、前後交連で約整列する位置を調整します。 （スキャン開始ボタンを使用して）最初のスキャンを開始します。
4. 実験を通してインピーダンスを監視します。注意：もしEXPerimentは、（参加者及び研究者が刺激に対して盲検化されている）、第二の研究者は、インピーダンスを監視する必要があり得る二重盲検様式で行われる。
5. RS-シーケンスの実行中に、スキャン間で必要な時間を短縮するために、上記のようにスキャナコンソールを使用して、（後続の言語タスクの）第二の機能イメージングシーケンスをロードし、FOVを調整する。 RS-シーケンスが終了した後、言語タスクの間に、実験刺激の視覚的な表示を可能にするために、プロジェクタの電源をオンにします。プレゼンテーションソフトのアイコンとロード言語パラダイムをダブルクリックします。タスク関連fMRIのパラダイムのための命令を繰り返して、タスク^14、15に開始するスキャナインターホンを使用してください。
6. 刺激/ fMRIの実験終了後は、計画された構造的なスキャンを続行します。スキャンセッションが終了するまで、電極ケーブルを抜き差ししないでください。
7. 実験の最後に、参加者を移動する前に、内部フィルターボックスから電極ケーブルを外しスキャナボアの。スキャナからの参加者を削除するには、ヘッドコイルをデタッチし、座って、慎重に電極を除去して、参加者に依頼してください。

結果

機能的MRIは、モータ又は認知機能の根底にある神経機構に対処するための最も広く使用されている機能イメージング技術である。より最近では、fMRIのはまた、皮質活動との接続上のTDCは効果を評価するために使用されている。しかし、これらの研究のほとんどは、スキャナの外側TDCは投与し（ すなわち 、走査前^22〜23のTDCは投与される）、刺激のオフライン効果を評価した。?...

ディスカッション

同時fMRIを持つTDCはを組み合わせたアプリケーションは、高い空間分解能^13〜19で、脳全体にわたる刺激の即効性の神経的基盤を解明するための可能性を示している。将来的には、このような研究は、後者の技術の優れた時間分解能を利用するために、結合されたEEG-TDCは研究によって補完することができる。また、刺激intrascanner頭皮上の電極の正確な位置の確認ができます（ 例えば...

資料

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