Efeitos da estimulação da corrente alternada transcraniana no córtex Motor primário por on-line abordagem combinada com estimulação magnética transcraniana

Resumo

Estimulação transcraniana de corrente alternada (TAC) permite a modulação da excitabilidade cortical em uma frequência específica de moda. Aqui nós mostramos uma abordagem única que combina TAC on-line com pulso único estimulação magnética transcraniana (TMS) para "sondar" excitabilidade cortical por meio de Motor de potenciais evocados.

Resumo

Estimulação transcraniana de corrente alternada (TAC) é uma técnica de neuromodulatory capaz de agir através de formas de onda elétricas senoidais em uma frequência específica e por sua vez modulam a atividade oscilatória cortical em curso. Este neurotool permite o estabelecimento de um nexo de causalidade entre a atividade oscilatória endógena e comportamento. A maioria dos TAC estudos têm demonstrado efeitos on-line de TAC. No entanto, pouco é conhecido sobre os mecanismos de ação subjacente desta técnica devido os artefatos AC-induzida em sinais de eletroencefalografia (EEG). Aqui nós mostramos uma abordagem única para investigar line efeitos fisiológicos de frequência específica de TAC do córtex motor primário (M1) usando o pulso único estimulação magnética transcraniana (TMS) para sondar as alterações de excitabilidade cortical. Em nossa configuração, a bobina do TMS é colocada sobre o eléctrodo de TAC enquanto Motor potenciais evocados (MEPs) são recolhidos para testar os efeitos dos M1-TAC em curso. Até agora, esta abordagem tem sido usada principalmente para estudar os sistemas visuais e motor. No entanto, a configuração actual do TAC-TMS pode pavimentar o caminho para futuras investigações das funções cognitivas. Portanto, nós fornecemos um manual passo a passo e vídeo orientações para o procedimento.

Introdução

Estimulação elétrica transcraniana (tES) é uma técnica de neuromodulatory que permite a modificação dos Estados neuronais através de de formas de onda atual diferente¹. Entre os diferentes tipos de tES, transcranial estimulação de corrente alternada (TAC) permite a entrega de sinusoidais potenciais oscilatórios externos em uma faixa de frequência específica e a modulação da atividade neural fisiológica subjacentes perceptual, processos cognitivos e motor². Usando o TAC, é possível investigar possíveis ligações causais entre atividade oscilatória endógena e processos cerebrais.

In vivo, ficou demonstrado que picos de atividade neural é sincronizado a diferentes frequências de condução, sugerindo que o disparo neuronal pode ser arrastado por campos eletricamente aplicada³. Em modelos animais, fraco sinusoidal tACS entrains a frequência descarregada da piscina neuronal cortical generalizada⁴. Em humanos, TAC combinado com on-line Eletroencefalografia (EEG) permite a indução do chamado efeito de "Arrastamento" na atividade oscilatória endógena interagindo com oscilações do cérebro em uma maneira específica de frequência⁵. No entanto, combinando TAC com métodos de neuroimagem para um melhor entendimento dos mecanismos on-line é ainda questionável por causa de artefatos induzida por AC⁶. Além disso, não é possível gravar diretamente o sinal de EEG sobre a área alvo estimulados sem usar um eletrodo de anel, que é uma solução questionável⁷. Assim, há uma falta de estudos sistemáticos sobre este tema.

Até agora, não há provas claras sobre os efeitos duradouros do TAC após a cessação do estímulo. Poucos estudos têm mostrado sequelas fracas e pouco claras dos TAC o sistema motor⁸. Além disso, evidências de EEG ainda não está clara sobre os efeitos do TAC⁹. Por outro lado, a maioria dos estudos de TAC mostrou efeitos on-line proeminentes^{10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18}, que são difíceis de medir a nível fisiológico, devido a limitações técnicas. Assim, o objetivo geral do nosso método é fornecer uma abordagem alternativa para testar efeitos on-line e dependente da frequência de TAC no córtex motor (M1) entregando único pulso de estimulação magnética transcraniana (TMS). TMS permite que os pesquisadores para "sondar" o estado fisiológico da córtex motor humano¹⁹. Além disso, gravando o potencial evocado Motor (MEP) na mão contralateral do sujeito, podemos investigar os efeitos do TAC em curso¹¹. Esta abordagem nos permite com precisão monitor alterações na excitabilidade corticoespinhal medindo MEP amplitude durante a estimulação elétrica on-line entregada em diferentes frequências de forma livre de artefato. Além disso, esta abordagem pode também testar efeitos on-line de qualquer outra forma de onda de tES.

Para demonstrar os efeitos combinados de TAC-TMS, mostraremos o protocolo aplicando 20 Hz AC estimulação sobre o córtex motor primário (M1) enquanto o pulso único on-line neuronavigated TMS é entregue intercalado por intervalos aleatórios de 3 a 5 s, a fim de testar a M1 excitabilidade cortical.

Protocolo

todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê de ética local de pesquisa da escola superior de economia (HSE), Moscou, com o consentimento de todos os participantes.

Nota: os participantes não devem relatar nenhum histórico de dispositivos metálicos implantados, doença neurológica ou psiquiátrica, abuso de drogas ou alcoolismo. TMS é usado de acordo com o mais recente de orientações de segurança ²⁰. Assuntos devem ser totalmente informados da natureza da pesquisa e sinal de um formulário de consentimento informado antes de iniciar o experimento. Mostramos a todo um conjunto de equipamentos necessários para executar o protocolo on-line-combinado TAC-TMS pela estimulação da M1 dominante ( Figura 1; Tabela de materiais).

1. lugar de eletromiografia (EMG) eletrodos em uma montagem Bipolar do ventre-tendão

1. limpar a pele usando um esfoliante de limpeza sob todos os eléctrodos para alcançar a impedância da pele baixa (abaixo de 10 kOhm).
2. Coloque o eletrodo de EMG ativo no primeiro músculo interósseo dorsal (FDI), eletrodo de referência no osso 2cm distalmente e o eléctrodo de terra mais proximalmente sobre o braço

2. Identificar o alvo para o protocolo de estimulação

Nota: aqui, usamos o sistema de navegação frameless TMS para alcançar um posicionamento adequado da bobina TMS.

1. Coloque os sensores de rastreamento sobre a glabela entre as sobrancelhas e acima do nariz do participante.
2. Abra o software de sistema de navegação. Use os participantes individuais ' dados estruturais de T1 a ressonância magnética (MRI) e executar um registro co do participante ' s cabeça e uma cabeça de MRI 3D através do sistema de navegação.
3. Com precisão, coloque a bobina na mão motor primário-área, o então chamado " motor botão " região ( Figura 2).
4. Começar a aplicar o pulso único TMS e testar os deputados; TMS é entregue por um estimulador (ver Tabela de materiais) ligado a uma bobina de 75mm padrão em forma de oito. Para localizar o " hotspot " da M1 esquerda, segurar a bobina tangencial ao couro cabeludo, com o cabo apontando para trás e lateralmente, em ângulo de 45° do eixo sagital mediana do participante ' cabeça de s.
5. Uma vez que encontra-se o ponto de acesso (ou seja, o ponto de couro cabeludo, provocando os deputados no limiar a partir do contralateral examinaram dos músculos da mão), marcá-la com um lápis para facilitar a aplicação do eletrodo alvo TAC.

3. TAC preparação de eletrodos

1. Connect 2 eletrodos de superfície esponja embebida em solução salina (tamanho: 5 cm x 7 cm) para o dispositivo de estimulação, que pode gerar corrente elétrica alternada (por exemplo, Brainstim).
2. a fim de minimizar a sensação de pele, constantemente saturar os eléctrodos com uma solução salina para manter impedâncias abaixo 10 kOhm ao longo da sessão de estimulação todo.

4. TAC protocolo Set Up

1. para configurar o protocolo de TAC usando o dispositivo estimulador, primeiro verifique o status da bateria.
2. Usando o software, abra uma nova sessão e gerenciar um novo protocolo de estimulação.
   1. Nome do protocolo (por exemplo, " Beta ").
   2. Definir a frequência da estimulação (por exemplo, 20 Hz).
   3. Escolher a forma de onda (por exemplo, sinusoidal).
   4. Definir a duração total do protocolo de estimulação (por exemplo, 600 s).
   5. Finalmente, definir a intensidade da estimulação (por exemplo, 1 mA), definir o deslocamento, desvanecer-se, fade-out e fase em " 0 ".
      Nota: um pouco de sincronismo a desvanecer-se dentro e fora da estimulação (cerca de 30 s) pode ser sugerida, para evitar efeitos adversos ou desconfortáveis marcante para o assunto.
   6. Ativar o dispositivo ' s " Bluetooth " função e fazer o upload do protocolo a partir do software para o estimulador.

5. TAC eletrodos montagem

1. lugar a " alvo " eletrodos sobre o couro cabeludo correspondente ao ponto marcado. Lugar do " referência " eletrodo sobre o ombro ipsilateral usando fita adesiva específica, em uma " montagem monopolar " ²¹.
2. Ajustar cuidadosamente a primeira tira elástica na cabeça em relação à posição de cabeça-sensores de neuro-navegação. Então, usando a segunda correia, corrigir a posição do eletrodo alvo.
3. Uma vez que o TAC eletrodos são colocados no couro cabeludo e no ombro ipsilateral, conectá-los ao estimulador.
4. Antes do início da sessão de estimulação, certifique-se por inspecção visual que a posição do eletrodo alvo está centrada sobre o hotspot marcado.

6. Identificando o limiar Motor (RMT) descansando

1. lugar o TMS da bobina sobre o eléctrodo de TAC do alvo e cuidadosamente, ajuste a posição da bobina sobre o hotspot ( Figura 3), usando o sistema neuro-navegação.
2. Mede o RMT em conformidade para a instalação combinada TAC-TMS (i.e., TMS bobina sobre o eléctrodo). Especificamente, ajustar a intensidade TMS com relação a espessura do eletrodo TAC para conferir a uma confiança RMT.
   1. Medir o RMT individualmente, é definida como a intensidade mínima necessária para induzir um MEP no músculo IDE com uma amplitude de 50 mV (pico-a-pico) em 5 de 10 ensaios ²².
3. Definir a intensidade da estimulação TMS em 110% do RMT para iniciar a sessão experimental.

7. procedimento experimental

1. abrir o software de EMG e iniciar a gravação de EMG.
2. Começar a estimulação TAC.
3. Durante a estimulação, entregar pulsos único TMS, intercalados por intervalos aleatórios de 3 a 5 segundos.
4. Garantir que cada sessão da estimulação (por exemplo, 20 Hz TAC estimulação seguida por uma frequência de Souza/outro controle) dura não mais do que 90 segundos com um intervalo de sessão entre cerca de 3 minutos, para evitar o efeito de transição possível do precedendo a estimulação frequência/condição ^{11 , 13}.

Resultados

A primeira evidência de uma abordagem combinada de TAC/TMS foi mostrada por Kanai et al em 2010. Nesse estudo, os autores aplicado TAC sobre o córtex visual primário (V1) em demonstraram uma modulação de frequência-específico da excitabilidade cortical visual medida pela percepção de fosfeno induzida por TMS on-line¹⁵. Uma versão mais refinada do protocolo foi adotada para investigar uma modulação fisiológica da excitabilidade do córtex motor...

Discussão

Esta abordagem representa uma oportunidade única de testar diretamente on-line efeitos do TAC do córtex motor primário medindo corticoespinhal saída através da gravação de deputados. No entanto, o posicionamento da bobina TMS sobre o eléctrodo de TAC representa um passo fundamental que deve ser executado com precisão. Portanto, em primeiro lugar sugerimos experimentadores encontrar um ponto de destino único pulso TMS, em seguida, marcá-lo no couro cabeludo e, somente depois disso, coloque o eletrodo de TAC sob...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
BrainStim, high-resolution transcranial stimulator	E.M.S., Bologna, Italy	EMS-BRAINSTIM
Pair of 1,5m cables for connection of conductive silicone electrodes	E.M.S., Bologna, Italy	EMS-CVBS15
Reusable conductive silicone electrodes 50x50mm	E.M.S., Bologna, Italy	FIA-PG970/2
Reusable spontex sponge for electrode 50x100mm	E.M.S., Bologna, Italy	FIA-PG916S
Rubber belts – 75 cm	E.M.S., Bologna, Italy	FIA-ER-PG905/8
Plastic non traumatic button	E.M.S., Bologna, Italy	FIA-PG905/99
Brainstim	E.M.S., Bologna, Italy
MagPro X100 MagOption - transcranial magnetic stimulator	MagVenture, Farum, Denmark	9016E0731
8-shaped coil MC-B65-HO-2	MagVenture, Farum, Denmark	9016E0462
Chair with neckrest	MagVenture, Farum, Denmark	9016B0081
Localite TMS Navigator - Navigation platform, Premium edition	Localite, GmbH, Germany	21223
Localite TMS Navigator - MR-based software, import data for morphological MRI (DICOM, NifTi)	Localite, GmbH, Germany	10226
MagVenture 24.8 coil tracker, Geom 1	Localite, GmbH, Germany	5221
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