Transcraniana direto Estimulação atual e simultânea Ressonância Magnética Funcional

Resumo

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva. Tem sido utilizado com sucesso em pesquisas básicas e clínicas para modular a função cerebral em seres humanos. Este artigo descreve a implementação de ETCC e simultânea a ressonância magnética funcional (fMRI), para investigar as bases neurais dos efeitos ETCC.

Resumo

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva que utiliza correntes elétricas fracas administrados para o couro cabeludo para manipular a excitabilidade cortical e, conseqüentemente, o comportamento ea função cerebral. Na última década, vários estudos têm abordado a curto prazo e de longo prazo efeitos da ETCC em diferentes medidas de desempenho comportamental durante tarefas motoras e cognitivas, tanto em indivíduos saudáveis ​​e em um número de diferentes populações de pacientes. Até agora, no entanto, pouco se sabe sobre as bases neurais da ETCC-action em seres humanos no que diz respeito a redes cerebrais em grande escala. Esta questão pode ser abordada através da combinação de ETCC com técnicas de imagem cerebral funcionais, como a ressonância magnética funcional (fMRI) ou eletroencefalografia (EEG).

Em particular, fMRI é a técnica de imagem do cérebro mais amplamente utilizado para investigar os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras. Applicatino de ETCC durante fMRI permite a análise dos mecanismos neurais subjacentes efeitos ETCC comportamentais com alta resolução espacial em todo o cérebro. Estudos recentes utilizando esta técnica de estimulação identificado mudanças induzidas na atividade cerebral funcional relacionado com a tarefa no local de estímulo e também em regiões cerebrais mais distantes, que foram associados com melhora de comportamento. Além disso, a ETCC administrados durante descansando em estado fMRI permitiu a identificação de mudanças generalizadas na conectividade funcional do cérebro todo.

Futuros estudos utilizando este protocolo combinado deve render novos insights sobre os mecanismos de ação ETCC na saúde e na doença e novas opções de aplicação mais focalizada dos ETCC na pesquisa e na clínica. O presente manuscrito descreve esta nova técnica de forma passo-a-passo, com foco em aspectos técnicos do ETCC administrados durante fMRI.

Introdução

Estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) é um método não invasivo de estimulação cerebral em que o funcionamento cortical é modulada por meio de uma corrente elétrica fraca (tipicamente 1-2 mA) projetada entre dois eletrodos afixados-couro cabeludo. Fisiologicamente, ETCC induz um deslocamento dependente da polaridade do potencial de repouso da membrana neuronal (PGR) no interior da região cortical alvo através da manipulação dos canais de sódio e de cálcio, promovendo assim a alterações na excitabilidade cortical ^1. Especificamente, a estimulação anódica (atDCS) foi mostrada para aumentar a atividade cortical através da despolarização neuronal PGR enquanto a estimulação catódica (ctDCS) reduz a excitabilidade cortical ^2. Em comparação com outros tipos de estimulação cerebral (por exemplo, a estimulação transcraniana magnética) de segurança foi bem estabelecida e, até agora, sem efeitos colaterais graves têm sido relatadas, mesmo em populações vulneráveis ^{​​3, 4.} Além disso, pelo menos para lointensidades de estimulação wer (até 1 mA), um placebo eficaz ("sham") condição estimulação existe ^5, permitindo mascaramento efetivo de participantes e investigadores para as condições de estimulação, tornando ETCC uma ferramenta atraente em ambientes de pesquisa experimentais e clínicos.

Numerosos estudos até agora têm mostrado que essas mudanças na excitabilidade cortical pode resultar em modulações comportamentais. No sistema motor, de polaridade efeitos dependentes consistentes foram relatados ^{1, 6} para ambos os atDCS e ctDCS. Nos estudos cognitivos, a maioria dos estudos que utilizaram atDCS para melhorar as funções cognitivas relatados efeitos benéficos sobre o desempenho ^7, enquanto ctDCS frequentemente não resultou no processamento cognitivo. O último pode ser explicado pela maior redundância de recursos de processamento neurais subjacentes cognição ^6. A maioria dos estudos ETCC empregaram projetos cross-over para estudaros efeitos imediatos da estimulação, o que durar mais que o término do atual apenas por curtos períodos de tempo ^1. No entanto, tem sido sugerido que os impactos repetidos de estimulação sobre a síntese de proteínas, ou seja, o mecanismo de captação de habilidade neural subjacente ^8. Com efeito, o motor ou o sucesso treino cognitivo pode ser aumentada quando combinado com sessões repetidas TDCs e estabilidade a longo prazo destes melhoramentos têm sido relatados para durar até vários meses em adultos saudáveis ^​​8-10. Tais achados também têm suscitado um interesse no uso da ETCC em contextos clínicos e dados preliminares sugerem que ele também pode ser útil como uma abordagem de tratamento primário ou auxiliar em várias populações clínicas ^3. No entanto, enquanto um número relativamente grande de estudos abordaram os efeitos neurofisiológicos da ETCC no sistema motor, pouco se sabe sobre os mecanismos neurais subjacentes de efeitos ETCC sobre as funções cognitivas do cérebro na saúde e na doença.Uma melhor compreensão do modo de ação do ETCC é um pré-requisito necessário para aplicações mais específicas de ETCC em pesquisa e na clínica.

Esta questão pode ser abordada através da combinação de ETCC com técnicas de imagem cerebral funcionais, como a eletroencefalografia (EEG) ou a ressonância magnética funcional (fMRI). A maioria dos estudos que investigam os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras optaram por empregar fMRI ^11. Em particular, fMRI é a técnica de imagem do cérebro mais amplamente utilizado para investigar os mecanismos neurais subjacentes às funções cognitivas e motoras ^11. Além disso, quando combinado com a aplicação simultânea de ETCC, fMRI permite o exame dos mecanismos neurais subjacentes efeitos ETCC comportamentais com maior resolução espacial em todo o cérebro em comparação com EEG (para descrições recentes de combinado ETCC-EEG ver ¹² Schestatsky et al.). O presente manuscrito descreve ªuso e combinado de ETCC durante simultânea fMRI. Esta nova técnica tem sido utilizada com sucesso para estudar os mecanismos neurais subjacentes ETCC induzida por modulações de funções motoras e cognitivas ^13-19. No futuro, este protocolo combinado trará novos insights sobre os mecanismos de ação ETCC na saúde e na doença. Compreender o impacto da ETCC em redes neurais em larga escala, avaliada com esta técnica pode lançar as bases para uma aplicação mais focalizada dos ETCC na pesquisa e na clínica.

O manuscrito incidirá sobre as diferenças entre experimentos ETCC comportamentais eo uso combinado de ETCC durante simultânea fMRI, com uma ênfase específica sobre os requisitos de hardware, implementação da técnica, e considerações de segurança. Como exemplo, uma única sessão de ETCC administrados ao giro frontal inferior esquerdo (IFG) durante a tarefa ausente descanso do estado (RS) e fMRI durante uma tarefa de linguagem ^{14, 15} wdoente ser descrito, embora muitas outras aplicações são possíveis ^{16, 19.} Os detalhes da concepção experimental, as características dos participantes e os procedimentos de análise de dados de ressonância magnética têm sido descritos em detalhe nas publicações originais ^14,15 e estão fora do âmbito da presente manuscrito. Além disso, nesses estudos, um fMRI adicional varredura que farsa envolvidos ETCC foi adquirida e comparados com os resultados da sessão atDCS (ver "Os resultados representativos" para mais detalhes). Esta sessão foi idêntico ao descrito no presente manuscrito, excepto que a estimulação foi interrompida antes do início da sessão de varredura (ver Figura 1 para detalhes). O presente procedimento foi implementado com sucesso em um scanner de 3 Tesla Siemens Trio MRI no Centro de Berlim para Advanced Imaging (Charité University Medicine, Berlin, Alemanha), e deve, em princípio, ser aplicáveis ​​a outros scanners, bem ^13.

Protocolo

1. Contra-indicações e Considerações Especiais

1. Completamente selecionar os participantes para contra-indicações de ressonância magnética (por exemplo, marca-passos, claustrofobia, etc) e exclui, se necessário. Adquirir questionários padrão em instituições clínicas ou de pesquisa que atuam scanners de ressonância magnética. Obedeça sempre os procedimentos de segurança padrão ao entrar na sala de scanner.
2. Completamente selecionar os participantes para contra-indicações para ETCC. Estes podem sobrepor-se com contra-indicações para MRI. Veja Villamar et al. ²⁰ para um exemplo.
3. Consulte com a facilidade operacional em matéria de segurança local e os regulamentos de ética e obter permissões necessárias. Teste de artefactos de imagem potenciais induzidos pelo equipamento actual ou ETCC estimulação antes do início da experiência real (por exemplo, testar o impacto da ETCC em sinal-para-ruído ^{17, 18).}

2. FMConfiguração RI, Projeto Experimental, e Materiais

Nota: O uso da ETCC no interior de um aparelho de ressonância magnética requer equipamento especial. Em particular, específica cabos MRI-compatível, caixas de filtro, eletrodos e correias para prender os eletrodos na cabeça dos sujeitos são obrigatórios. Figura 2 ilustra (A) equipamento padrão ETCC e componentes (B) para uso com ressonância magnética. Os últimos componentes são necessários para evitar a possibilidade de aquecimento sob os eletrodos devido a pulsos de radiofrequência emitidos durante ressonância magnética. Além disso, os artefactos de imagem de alta frequência pode ser induzida pelo dispositivo ETCC. Ambos podem ser evitadas pelo uso de caixas de filtro posicionados fora e dentro da sala o scanner, cabos equipados com resistências e eletrodos de borracha condutora MRI-compatível dedicados.

1. Realize experimental set-up e seqüências geral para o experimento fMRI. Ambos dependem dos objetivos do estudo. Nota: o protocolo a seguir é especific para esta experiência, mas pode ser revisto para aplicar a um número de diferentes situações experimentais.
2. Use um computador desktop com software de apresentação de estímulo instalado para uma tarefa de linguagem que envolve a apresentação visual de categorias semânticas dentro do scanner. Apresentar estes estímulos num ecrã dentro do scanner através de um projector ligado ao computador e um sistema de espelhos.
3. Use um microfone MRI-compatível para transmissão de respostas verbais públicos. Adquirir duas sequências funcionais durante ETCC: a cinco minutos de tarefas ausente RS-seqüência e uma tarefa palavra geração semântica evidente. Nota: detalhes adicionais do conjunto experimental, as sequências de estímulos e de ressonância magnética foram previamente descritos em pormenor ^{14, 15} e figura 1 ilustra o experimento.
4. Para montar o dispositivo, o programa de ETCC dispositivo para entregar uma corrente constante de 1 mA durante 20 minutos, para cobrir a totalidade da duração do varrimento dois funcionals, incluindo estadias curtas e tempo para instruções entre as varreduras ^{14, 15.} Certifique-se de que o estimulador é suficientemente carregada; caso contrário, pode desligar durante o experimento.
5. Certifique-se de que todos os materiais necessários estão disponíveis (Figura 2).

3. Setup ETCC Fora e interna do scanner (veja a Figura 3 para uma visão esquemática)

1. Coloque a caixa de filtro externo perto do filtro de rádio-freqüência (RF) tubo (ou seja, o ponto de penetração no escudo de freqüência de rádio do aparelho de ressonância magnética que pode ser usado para inserir os cabos de fora do scanner). Conecte-estimulador com a caixa exterior usando o cabo estimulador. Caixa de filtro interno e externo não devem ser misturados. Nota: A Figura 4A ilustra os ETCC set-up externa do scanner. A caixa externa é claramente marcada na Figura 4B.
2. Meça o comprimento do cabo necessário para conectar pousadaer com a caixa exterior usando o cabo caixa (ver ponto seguinte sobre o posicionamento do cabo na sala de scanner). Insira o cabo caixa no tubo de RF do lado de fora do scanner e conectar-se com a caixa do filtro externo (Figura 4A).
3. Colocar a caixa do filtro interno no interior da extremidade traseira do furo do scanner (Figura 5); utilizar fita adesiva para o manter no lugar. Conecte o cabo de caixa com caixa de filtro interno e evitar loops em todos os cabos, pois podem induzir o aquecimento RF. Nota: O cabo deve estar alinhado com as paredes da sala de scanner e afixado com fita adesiva (Figura 3).

4. Participante Preparação e Posicionamento do participante em Scanner

1. Tal como acontece com ETCC convencionais set-ups, inspecionar a pele do participante por quaisquer lesões pré-existentes, mova o cabelo longe, a pele limpa com álcool para remover hairspray, loção corporal, etc. para melhorar a condutividade da pele por baixo dos eléctrodos ^{12, 21.}
2. Mergulhe bolsos esponjas com soro fisiológico e inserir eletrodos MRI-compatível para os bolsos (veja DaSilva ²¹ para considerações gerais de preparação dos participantes e posicionamento dos eletrodos).
3. Posições dos eletrodos marca na cabeça das pessoas, utilizando uma caneta que não deixa vestígios ferromagnéticos (por exemplo, não usar delineador). Determinar a posição alvo para ânodo usando 10-20 sistema de EEG (aqui: esquerda IFG, 5 x 7 cm ^{2) 14, 15.} Para fazê-lo, localizar (a) o cruzamento de T3-F3 e F7-C3 e (b) o ponto médio entre F7-F3. A posição alvo é o centro de uma linha de pontos de ligação (a) e (b). Local catódicos (10 x 10 cm ²⁾ sobre a posição supra-orbital direita (para obter detalhes sobre a colocação do eletrodo ver Meinzer et al. ^{14, 15).} Anexar eletrodos de cabeça utilizando elástico.
4. Orientar o participante por trás do scanner e conectar o cabo do eletrodo com o filt interiorcaixa er. Ligue estimulador e impedância de teste pressionando o botão direito superior e inferior esquerdo do estimulador simultaneamente. Se os limites de impedância são alcançados, em seguida, o estimulador irá parar automaticamente. Se isso ocorrer, verifique se os eletrodos têm contato com o couro cabeludo, pele limpa novamente ou aplicar mais solução salina se esponjas tornaram-se muito seca, e, em seguida, verificar se algum cabo está quebrado. Nota: A impedância é normalmente maior em relação ao set-ups convencionais por causa de cabos adicionais e caixas de filtro entre estimulador e eletrodos.
5. Guia participante na sala do scanner (após uma verificação final de segurança). Posicione o participante sobre o pórtico do scanner e certifique-se de que os eletrodos ainda estão na posição correta. Feche a bobina de cabeça. O cabo de força deve ser alimentado através da parte inferior esquerda da bobina de cabeça (ver Figura 6) ou de acordo com as recomendações do fabricante.
6. Mova participante no orifício scanner. Certifique-se de que o cabo de fazeres não pegar no pórtico e quebrar (ver Figura 6 para uma possível posição segura do cabo durante esta fase). Quando o participante tenha atingido a posição final dentro do scanner, para alcançar o cabo de força da parte traseira do scanner e conecte-o à caixa de filtro interno. Entregar botão de emergência para participante e sair da sala de scanner.

5. Iniciando o Estimulação

1. Use scanner de interfone para informar o participante sobre o início da sessão de digitalização. Inicie a digitalização localizador estrutural (para determinar a posição da cabeça do participante no scanner e permitir o planejamento de exames funcionais e estruturais subseqüentes) usando o console de digitalização. Inspecione varredura localizador de artefatos de alta freqüência: Dê um clique duplo na Varredura localizador após o final do período de aquisição e ajustar o contraste (para Siemens Trio segurando o botão direito do mouse e mouse para a esquerda e para a direita em movimento, por exemplos, veja Figuras 7Ae 7B).
2. Use scanner de interfone para se comunicar com o assunto que a estimulação será iniciada e que ele / ela pode sentir uma sensação de formigamento no couro cabeludo por um curto período de tempo. Repita as instruções para a primeira varredura funcional. Neste exemplo, instruir o participante a manter os olhos fechados para a duração do exame (5 min), mova o mínimo possível e não pensar em nada em particular. Certifique-se de que projector é desligado (tela dentro do furo do scanner é preto) para evitar a estimulação visual durante RS-scan.
3. Iniciar a estimulação manualmente aproximadamente 1-2 minutos antes do início do primeiro exame funcional (RS-scan). Use consola scanner para carregar RS-sequência. Clique duas vezes no RS-seqüência para abrir campo de visão (FOV), ajustar a posição para cobrir todo o cérebro e alinhar aproximadamente com a comissura ântero-posterior. Comece a primeira varredura (usando o botão de digitalização START).
4. Monitorar impedância durante todo o experimento. Nota: Se o experiment é conduzida em um modo duplo-cego (participante e pesquisador estão cegos para a estimulação), um segundo pesquisador pode ser necessário controlar a impedância.
5. Enquanto o RS-seqüência está sendo executado, carregar segunda seqüência imagem funcional (por tarefa língua subsequente) e ajustar FOV, usando o console do scanner, como acima, para reduzir o tempo necessário entre as varreduras. Após o final da RS-sequência, ligar projector para permitir a visualização de estímulos experimentais durante a tarefa de linguagem. Clique duas vezes no ícone do software de apresentação e paradigma língua carga. Use scanner de interfone para repetir instruções para relacionado com a tarefa fMRI paradigma e começar com tarefas ^{14, 15.}
6. Após o final do experimento estimulação / fMRI, continue com scans estruturais planejadas. Não desligue cabos de força até o final da sessão de digitalização.
7. No final do experimento, desconecte o cabo do eletrodo a partir da caixa de filtro interno antes de se mudar para fora participantedo furo scanner. Remover participante do scanner, retire bobina de cabeça e pedir ao participante para sentar-se e retire os eletrodos com cuidado.

Resultados

MRI funcional é a técnica de imagem funcional mais utilizado para tratar os mecanismos neurais subjacentes de funções motoras ou cognitivas. Mais recentemente, RMf também tem sido utilizado para avaliar TDCs efeitos sobre a actividade cortical e conectividade. No entanto, a maioria desses estudos ETCC administrado fora do scanner e avaliados os efeitos off-line da estimulação (ou seja, administrado ETCC antes da digitalização ^{22, 23).} Apenas alguns estudos até agora têm administrado ETCC d...

Discussão

A aplicação combinada de ETCC com simultânea fMRI mostrou potencial para elucidar as bases neurais dos efeitos imediatos da estimulação através de todo o cérebro com alta resolução espacial ^13-19. No futuro, estes estudos podem ser complementados por estudos de EEG-ETCC combinados, para explorar a resolução temporal superior da última técnica. Além disso, intrascanner estimulação permite a verificação do correto posicionamento dos eletrodos no couro cabeludo (por exemplo, o uso de i...

Materiais

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 (7 cm x 5 cm and 10 cm x 10 cm)	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