人間の運動機能の調節のための非侵襲的電気脳刺激モンタージュ

要約

非侵襲的電気脳刺激は、両方の研究および臨床目的のために、皮質機能と動作を調節することができます。このプロトコルは、人間の運動系の調節のための異なる脳刺激的なアプローチについて説明します。

要約

非侵襲性の電気脳刺激（NEBS）は、両方の研究及び臨床目的のために、脳の機能と動作を調節するために使用されます。具体的には、NEBSは経頭蓋どちら直流刺激（TDCの）または交流電流刺激（TACS）として適用することができます。これらの刺激の種類は、タイムを発揮する用量と運動機能と健常者における学習スキルにTDCの極性特異的効果の場合インチ最近、TDCのストロークまたは運動障害を有する患者における運動障害の治療を増強するために使用されています。この記事では、TDCのと経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）で一次運動野を標的化するためのステップバイステップのプロトコル、事前定義された周波数範囲内でランダムに印加された電流を使用してTACSの具体的な形態を提供します。二つの異なる刺激モンタージュのセットアップについて説明します。両方のモンタージュで放出電極（TDCのためのアノード）は、目的の一次運動野に配置されています。ために片側運動皮質刺激両側性運動皮質の刺激のための受信電極が反対一次運動皮質上に配置されている間、受信電極対額上に配置されます。利点と皮質興奮性や学習などの運動機能を調節するための各モンタージュの欠点は、同様に安全性、忍容性および盲目の側面として、議論されています。

概要

^{3 -非}侵襲的な電気脳刺激（NEBS）、無傷の頭蓋骨を通して脳への電気電流の投与は、脳機能と動作^{1を変更することができます} 。神経生理学的および行動効果につながる基礎となるメカニズムを理解NEBS戦略の治療可能性を最適化するにはまだ必要とされています。異なる研究所間でのアプリケーションと刺激手順の完全な透明性の標準化は、アクションの提案メカニズムの結果、評価の信頼性の高い解釈をサポートするデータの比較のための基礎を提供します。経頭蓋直流電流刺激（TDCは）または経頭蓋電流刺激を交互に（TACS）印加された電流のパラメータによって異なりますTDCのは、2つの電極（アノードとカソード^）2との間に一方向の定電流の流れ^で構成されています- TACSは交流電流の印加を使用しながら⁶に特定の周波数^7。経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）ランダム周波数（ 例えば 、100から640 Hz）で迅速に変化する刺激強度をもたらし、極性による影響^{4,6,7の除去}に印加される交流電流を使用TACSの特殊な形式です。刺激の設定は、 例えば 、ランダムに1ミリアンペアのベースライン強度（通常は使用しません）の周りに変化するノイズスペクトルをオフセット刺激が含まれている場合極性は関連性があります。この記事の目的のために、我々は密接に私たちの研究室⁶からの最近の発表後、モータシステム上のTDCとTRNSエフェクトを使って作業に焦点を当てます。

TRNSの行動の根底にあるメカニズムは、それ以下のTDCのより理解が、後者の可能性が異なるされています。理論的には、確率共鳴TRNSの概念的枠組みに番目を変更することによって、信号処理の利点を提供することができる神経系への刺激によって誘導されるノイズを導入電子信号対雑音比^4,8,9。 TRNSは主に弱い信号を増幅することができるので、タスク固有の脳活動（内因性のノイズ^9）を最適化することができます。陽極TDCのは、数分から数時間のための刺激の持続時間をoutlasting効果と皮質の興奮性（MEP）自発的なニューロンの発火率¹⁰の変化によって示されるまたは増加モータが誘発電位振幅^{2を増加させます} 。長期増強として知られているシナプスの有効性の長期的な増加は、学習と記憶に貢献すると考えられています。確かに、陽極TDCの繰り返し弱いシナプス入力¹¹によって活性化され、モータ皮質のシナプスのシナプス伝達効率を向上させます。また、この活動依存プロセスの前提条件として、シナプスの同時活性化を示唆し^{、13 -}よれば、改善された運動機能/スキルの獲得は、多くの場合、刺激が運動トレーニング¹¹と同時適用の場合にのみ明らかにされています。それにもかかわらず、Cの増加との間に因果関係ortical興奮一方で（発火率またはMEP振幅の増加）と改善されたシナプス効力一方（LTPまたはそのような運動学習としての行動機能）が実証されていません。

NEBSは人間の運動機能^{1を調節するために}安全かつ効果的な方法として関心が高まっを集めている一次運動野（M1）に適用されます。 ^{6,14,15 -}神経生理学的効果と行動の結果は、刺激戦略（ 例えば 、TDCの極性またはTRNS）、電極の大きさとモンタージュ⁴に依存してもよいです。別に被験者固有の解剖学的および生理的要因から電極モンタージュを大幅電界分布に影響を及ぼし、皮質¹⁶内の電流拡散の異なるパターンをもたらすことができる^{- 18。}電極の印加電流の大きさの強さに加えて³供給される電流密度を決定します。共通電極モンタージュ人間のモータでは、システムの研究は、（ 図1）を含む ：1）陽極TDCの関心のM1と反対側の額に位置するカソード上に位置するアノードとの一方的なM1刺激として;このアプローチの基本的な考え方は、関心^6,13,19のM1における興奮性のアップレギュレーションである^{- 22;} 2）陽極TDCの二国間のM1刺激 （また、目的のM1および対M1 ^5,6,14,23,24に位置するカソード上に位置するアノードとの）「bihemispheric」または「デュアル」刺激と呼ばれます。このアプローチの基本的な考え方は、反対M1に興奮をダウンレギュレートしながら、興味のあるM1に興奮のアップレギュレーションによる刺激のメリットを最大化である（ すなわち 、2 M1S間の半球間抑制の変調）。 3）TRNSについては、唯一の上記の一方的なM1刺激モンタージュはinvestigされましたated ^4,6;このモンタージュの興奮とTRNSの強化効果は100から640ヘルツ⁴の周波数スペクトルのために発見されています。脳刺激戦略と電極モンタージュの選択は、臨床や研究の設定でNEBSの効率的かつ信頼性のある使用のための重要なステップを表します。ヒト運動系の研究で使用され、方法論及び概念的態様が説明されているように、ここでこれら三つのNEBS手順が詳細に記載されています。片側性または両側のTDCと一方的TRNSのための材料は、（ 図2）と同じです。

明確なNEBS戦略の図1.電極モンタージュと電流方向。（A）一方的な陽極経頭蓋直流電流刺激（TDCは）のためには、アノードは、興味のある一次運動野とトンの上に位置するカソードの上に中心があります彼は超軌道面積を反対側。両側性運動皮質刺激のための（B）は 、陽極と陰極は、1つの運動皮質の上にそれぞれ配置されています。陽極の位置は、陽極TDCのための目的の運動野を決定します。一方的な経頭蓋ランダムノイズ刺激（TRNS）について（C）は 、一方の電極が運動野と反対側の上記軌道領域の上に他の電極上に配置されています。電極間の電流の流れを黒矢印で示されています。陽極（+、赤）、カソード-交互（青）、（+/-、緑）現在。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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プロトコル

倫理の声明 ：ヒトでの研究は、研究開始前に参加者の書面によるインフォームドコンセントが必要です。参加者の募集の前に、関連する倫​​理委員会による承認を取得します。研究はヘルシンキ宣言に従っていることを確認してください。ここで報告された代表的な所見（ 図4）は、59 ^番目の WMA総会、ソウル、2008年10月によって改正、フライブルク大学の地元の倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言に従って行わ調査に基づいています。すべての被験者は、試験開始⁶の前に書かれたインフォームドコンセントを与えました。

1.安全のスクリーニング

1. 例えば 、非侵襲的脳刺激³の潜在的な禁忌のために参加者を選別。、アンケート^25を使用することによって。

2.運動野のローカライズ

1. 2ディのいずれかで、参加者の手の運動皮質を見つけます経頭蓋磁気刺激（TMS）により、関心の筋肉の脳の表現を配置することによりstinctアプローチは、MEPを誘発、または測定テープ²⁶でEEG 10月20日、国際システムに基づく標準的なM1の位置（C3 / C4）を配置することにより。
2. TMSによって誘発されるMEPの記録のためのクレジットカード、携帯電話、一般的には金属製のものを含め、TMS磁場によって影響され得る任意のオブジェクトを削除するには、参加者に依頼してください。
3. 快適に座って参加者を確認して下さい。
4. EMGアンプおよびソフトウェアインタフェースを使用したときに、信号の設定および取得のために使用されるコンピュータの間の接続を確認してください。
5. EMGアンプの電源をオンにし、EMG電極ケーブルを接続します。
6. 静かに電極が配置される手の領域における皮膚の準備ペーストでこすることにより、クリーン参加者の肌。清潔なガーゼパッドと過剰削除します。
7. の手の筋肉に腹腱モンタージュでEMGの表面電極を取り付け関心（ 例えば 、M。外転pollicisの右手のブレビス）とは、接地電極を接続する（ 例えば 、前腕に）。研究の目的は、使用する手の筋肉を決定します。
   注 ：再使用可能な電極の場合には、参加者の皮膚に取り付ける前に、電極表面上に導電性ペーストの少量を適用する必要があります。
8. MEPのデータ保存が望まれる場合（オプションのステップ）MEP取得のための録音ソフトウェアを起動します。
9. EMGのインピーダンス値を確認してください。インピーダンスがあることを確認します<20キロオーム。
10. 磁気刺激装置の電源をオンにし、対応する「電荷」ボタンを押すことによりコンデンサを充電。
11. 大脳縦裂の参加者の頭皮に8の字TMSコイルを配置し、運動皮質領域（EEG 10/20国際システムの位置の周りのC3 / C4）に移動します。大脳半球間fissuを基準に45 ^O -50 ^Oの角度でTMSコイルを保持します^27,28再、ハンドルに^29を前方ために後方から皮質電流の流れを生成する、後方指向。
    注 ：2つの異なるTMSコイルが運動皮質の局在化のために使用されている：8の字や円形コイルを。可能な場合、それはより多くの焦点脳刺激³⁰および皮質興奮性³¹の測定値のより高い信頼性を提供するよう、8の字コイルを使用しています。
12. 磁気刺激は、（可視ディスプレイ上）に充電されると、トリガボタンを押すことによって、またはソフトウェアプログラムによってフットスイッチを踏んでまたは自動的にのいずれかによって刺激を放出します。これは、その後、参加者の頭皮上に配置された接続TMSコイルを介して単一のTMSパルスをお届けします。デフォルトTMSパルスの設定（ 例えば 、100マイクロ秒は単相性刺激のための誘導電流と800μsの減衰時間の時間を上昇;二相性刺激のための短い減衰時間）デバイス（ファームウェア）に固有のものです。
13. 低刺激強度で開始します（ 例えば 、刺激に刺激強度コントローラノブを使用して、45％の出力に強度を設定）し、EMGアンプに見えるのMEPを監視します。
    1. MEPは明らかに存在するまで、MEPは目に見える増加2-5％刻みで刺激強度でない場合（ 例えば 、0.5〜1 mVの振幅）。トリガボタンを押すか、パルス送達が自動化されていない場合には、フットスイッチを活性化することによって刺激を繰り返します。刺激がやや強くなるとその手足の動き、顔のけいれんと目を点滅が期待されている参加者に通知してください。
       注 ：脳の興奮に低周波の刺激効果を回避するために、パルス間の5秒の最小間隔を確立します。
14. 単一のTMSパルスの適用後の最大のMEP応答で場所を見つけるために、最初は刺激部位の周囲1cmのステップで半径方向にコイルを移動します。そこから、固定するためにコイルを移動させ、再び開始「ホットスポット」（最大MEP振幅を持つ皮質領域）。
    注 ：キャップはNEBSの電極配置のために除去する必要があり、ホットスポットの位置が失われる可能性がありますので、ヘッドキャップの使用（。 例えば 、グリッドマーキングに使用）ローカライズ手順のはお勧めしません。
15. （MEPがまだ存在していなければならない）刺激に刺激強度コントローラノブを使用して-steps約2％に刺激強度を減らします。これは、超最大刺激に不正確さを避けることができます。ホットスポットの周りに1cmのステップで半径方向にコイルを移動し、MEPのサイズをチェックしてホットスポットを再確認してください。ホットスポットは、依然として最も大きく、最も一貫性のMEP振幅に対応する必要があります。
    注意 ：ホットスポットを見つけることは困難である場合に自発的に興味の筋肉を収縮させる参加者を確認して下さい（。 例えば 、高い刺激強度で無MEPの存在）。そうすることによって、MEPを誘発するために必要な刺激強度を減少させます関連する皮質刺激部位を識別しやすくすることができます。この方法を使用する場合は、関連する刺激部位を発見した後、筋肉を弛緩し、筋肉が静止しているときに信頼性のMEPを見つけることができるように、刺激強度を調整するために参加者に求めます。ホットスポットを見つけるために進んでください。
16. 非永久的皮膚マーカーでホットスポットの位置とコイルの向きをマークします。
17. 二国間のM1の刺激のために、繰り返しは対側肢のために2.16に2.11を繰り返します。

3. NEBS電極の準備

1. ゴム電極にケーブルを接続し、スポンジ袋の内側に電極を配置します。電極の大きさとスポンジ袋のサイ​​ズが一致しないことを確認してください。材料は、標準サイズ（ 例えば 、5×5 ^cm 2であり、5×7センチ^2）で市販されています。
2. 等張NaCl溶液で両側にスポンジ袋を浸したが、ボランティアに塩橋や垂れを防止するために、過度の浸漬を避けます。
   1. このステップはoptionaですL：NaCl溶液の漏出を防止する包帯の代わりにゴムバンドを使用する場合、非導電性ゴムスポンジカバーの内部電極とスポンジバッグを配置します。
      また、導電性ペーストをゴム電極をカバーし、参加者の頭の上に直接に置き、 すなわち、スポンジ袋やゴムスポンジのカバーを使用していない：注意してください。

4. NEBS電極の配置（図1）

1. ヘッドマーキング（s）はモータ皮質のホットスポットを示すを検索し、領域の周囲に髪を分けます。
2. コンダクタンスは静かに40から50までパーセントのアルコールまたは皮膚準備ペーストに浸した綿棒でヘッドマークの周りの皮膚領域をこすることにより電極配置の前に肌をきれいに改善するために。皮膚に傷を付けないでください！等張NaCl溶液で再び綿棒や清潔な場所で過剰を削除します。その後エリアを乾燥させます。
   注：表示されたまま（複数可）マーキング必ずヘッドを作ります。必要に応じて発言。
3. 関心のM1（関心の手に対側）のためにマーキングヘッド、次の1の電極を配置します。肌に直接触れる可能な限りのスポンジを持参してください。刺激および/またはタスクの実行中に妨害を回避するために、参加者の背中に向かって電極ケーブルを置き、NEBSデバイスへの接続を容易にします。
   注：電極下の髪は湿っ取得する必要があります。過剰な毛湿潤の場合には、過剰を吸収するために紙や手タオルを使用しています。
   注：陽極のTDCは、関心対象の運動皮質ホットスポット上に配置された電極は、（興奮性の増加が所望される）は、通常、赤色ケーブルに接続され、アノードに相当します。カソードは、（通常、黒または青のケーブルに接続された）反対眼窩上の領域またはM1（下記参照）上に配置されます。古典的なプロトコルでは極性の特異性はないが、従来、電極配置が原因交互カレンに、TRNSで同じですTフロー。刺激設定はオフセット刺激が含まれている場合、特定の配置は重要であり得ます。
4. 一方的なM1刺激の場所のための（陽極TDCのため：カソード）は、第2の電極（EEG 10/20国際システムにてFp2を電極に対応）、対前出軌道領域の上。ケーブルは参加者の背中に向かって配向していることを確認します。
5. 二国間のM1の刺激のためにステップ4.4をスキップします。反対M1の研究で使用される肢と同側のマーキングヘッド以下：（陰極陽極TDCのための）第二の電極を配置します。ケーブルは参加者の背中に向かって配向していることを確認します。
6. その後、両方の電極を安定させるために、前後方向に環状に頭をカバーするために、残りの包帯を使用して、M1電極を安定させる内外横方向の円弾性包帯で二回頭をカバーします。
7. バンダグの端を固定するために粘着テープを使用します電子。
8. 参加者の首やシャツに粘着テープでケーブルを固定します。
9. NEBSデバイスに電極ケーブルを接続します。

非侵襲的電気脳刺激プロトコルで使用される図NEBSプロトコルのために使用される2.材料を。従来の材料は、NEBSデバイス、電極ケーブル、導電性ゴム電極、穴あきスポンジ袋、ゴムスポンジカバー（オプション）、等張NaCl溶液と包帯が含まれています。 してくださいこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

5.刺激

1. NEBSデバイスのスイッチをオンにします。
2. 刺激の種類（TDCのかTRNS）に関するNEBSデバイスの設定を調整し、強度（ 例えば 、1ミリアンペア、1.5ミリアンペアまたは2ミリアンペア）、時間（ 例えば 、10〜40メートル中）、（刺激と最大強度、典型的には8-15秒の始まりの間の時間）、および刺激の種類に関連した追加の要因TRNS（例えば、周波数スペクトル）ダウンランプアップと。
   注：従来、偽刺激はすぐにランプダウンが続くランプアップが含まれます。したがって、参加者は、刺激の感覚を持っているが、刺激の持続時間は、脳機能の持続的な効果を発揮するのに十分ではありません。一部のNEBSデバイスは、研究、特定の対象コードを入力することで、参加者と研究者の目詰まりを可能にする学習モードを含みます。コー​​ドは自動的に刺激の設定を決定します。あるいは、第二の実験では、各セッションで刺激設定を設定し、刺激を行う実験者からディスプレイをカバーすることができます。
3. NEBSに関連する潜在的な副作用について参加者に通知してください。一般的な有害作用は、皮膚のかゆみ/チクチクまたは灼熱感解除を含みます電極、頭痛、および不快感^32を derneath。灼熱感は、皮膚との貧弱な電極接触の徴候である可能性があります。
4. 刺激を開始します。
   注意：一般的な刺激持続時間は、（代表的な結果のセクションを参照してください）皮質興奮性に変化を調査報告書に基づいて、約10〜20分間持続します。経験的に、最大刺激時間は40分で³に設定しました。
5. ランプアップし、刺激中に刺激の継続を確認してください。インピーダンスが高すぎるか、電極が皮膚との接触不良である場合、刺激は自動的に終了することができます。
   注：場合、インピーダンスが高すぎるか、刺激中に不快感を増加させ、参加者のレポートがによってインピーダンスを減少しようとすると、 例えば 、より良い刺激部位に電極を固定または導電性媒体を加えます。 NaCl溶液は、その配置O後スポンジに直接注射器を使用して追加することができますn個のヘッド。
   注意：安全上の理由から、一部のデバイスは、刺激を通してインピーダンスを報告しています。インピーダンスが所定の閾値（ 例えば 、55キロオーム）に達した場合NEBS装置を遮断することができます。
6. NEBSはモータータスクの実行と同時適用されている場合は刺激がランプアップされ、参加者が刺激と快適に感じているの後に、テスト/トレーニングを開始します。ケースでの研究では、必ず参加者が刺激期間中に座って目を覚ましたままにすると、刺激が終わるまで待って、刺激中の運動課題が含まれていません。
7. 刺激の副作用、 例えばのための参加者に確認してください。、標準化されたアンケート^32を配ったり、直接参加者を尋ねること。刺激の複数の日を含めた研究の場合には、日間のいずれかの可能性のある副作用のメモを取ります。
   注：有効性を盲検化を評価するために、各刺激sessio後に参加者に尋ねますnは参加者が受けている刺激の種類（シャム/条件）を推測します。実験者はまた、盲検化された場合、実験者はまた、参加者の刺激のタイプに関する彼の推測に注意してください可能性があります。正しい推測³³の速度を確認するために、実際の刺激タイプの回答を比較してください。
8. このような40から50パーセントのアルコールなどの非有害物質と電極とスポンジを消毒。徹底的に、その後水で洗い流してください。材料は、保管する前に乾燥させます。

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結果

人間の運動システム上NEBSの影響を調べるためには、適切なアウトカム指標を考慮することが重要です。モータシステムの一つの利点は、電気生理学的ツールで皮質表現のアクセス可能性です。モータは電位が頻繁にモータ皮質の興奮性の指標として使用されている誘発しました。 29μA/ ^cm 2の電流密度で陽極のTDCの9分以上の適用後、モータ皮質の興奮性は、健...

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ディスカッション

このプロトコルは、手の運動機能やスキルNEBS、陽極TDCは、と一方的TRNSに特に一方的及び二国間のM1刺激​​を用いた学習の調節のための典型的な材料や処理手順を説明します。人間の運動系の研究のために特定のNEBSプロトコルを選択する前に、 例えば 、運動学習、方法論的な側面（安全性、忍容性、盲検化）だけでなく、概念的態様（特に脳領域上のモンタージュや現在のタイプ特...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
NEBS device (DC Stimulator plus)	Neuroconn
Electrode cables	Neuroconn
Conductive-rubber electrodes	Neuroconn		5x5 cm
Perforated sponge bags	Neuroconn		5x5 cm
Non-conductive rubber sponge cover	Amrex-Zetron	FG-02-A103	Rubber pad 3"*3"
NaCl isotonic solution	B. Braun Melsungen AG	A1151	Ecoflac, 0,9%
Cotton crepe bandage	Paul Hartmann AG	931004	8x5m, textile elasticity
Adhesive tape (Leukofix)	BSN medical	02122-00	2,5cm*5m
Skin preparation paste	Weaver	10-30
Magnetic stimulator	Magstim	3010-00	Magstim 200
EMG conductive paste	GE Medical Systems	217083
EMG bipolar electrodes	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
EMG amplifier	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
Cable for EMG signal transmission	e.g., Natus Medical Inc. Viking 4
Data acquisition unit	Cambridge Electronic Design (CED)	MK1401-3	AD converter
Computer for signal recording and offline analysis
Signal 4.0.9	Cambridge Electronic Design (CED)		Software
non-permanent skin marker	Edding	8020	1 mm, blue