Transkranyal Doğru Akım Uyarım ve Simultane Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme

Özet

Transkraniyal akım uyarımı (TEKMER) non-invaziv bir beyin stimülasyonu tekniğidir. Başarılı insanlarda beyin fonksiyonunu modüle etmek için, temel araştırmalar ve klinik olarak kullanılmıştır. Bu makale TEKMER etkileri nöral temelini araştırmak için, TEKMER uygulanmasını ve eşzamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) açıklar.

Özet

Transkraniyal akım uyarımı (TEKMER) zayıf elektrik kortikal eksitabilitesini işlemek için kafa derisi için uygulanan akımları ve dolayısıyla, davranış ve beyin işlevini kullanan bir non-invaziv beyin stimülasyonu tekniğidir. Son on yılda, çok sayıda çalışmalar sağlıklı bireylerde ve farklı hasta popülasyonlarında bir dizi, hem motor ve bilişsel görevler sırasında davranışsal performans farklı tedbirler hakkında TEKMER kısa vadeli ve uzun vadeli etkileri ele alınmıştır. Ancak bugüne kadar, küçük büyük ölçekli beyin ağları ile ilgili insanlarda TEKMER-eylem nöral temelleri hakkında bilinmektedir. Bu sorun, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) veya elektroensefalografi (EEG) gibi fonksiyonel beyin görüntüleme teknikleri ile TEKMER birleştirerek ele alınabilir.

Özellikle, fMRI biliş ve motor fonksiyonlarını altında yatan nöral mekanizmalarını araştırmak için en yaygın olarak kullanılan beyin görüntüleme tekniğidir. UygfMRI sırasında TEKMER on tüm beyin çapında yüksek uzaysal çözünürlüğü ile davranışsal TEKMER etkilerin altında yatan nöral mekanizmaların analizi sağlar. Bu tekniği kullanarak yeni çalışmalar davranışsal iyileşme ile ilişkili stimülasyon yerinde görev bağlı işlevsel beyin aktivitesinde ve aynı zamanda daha uzak beyin bölgelerinin uyarılması bağlı değişiklikleri tespit. Buna ek olarak, istirahat-devlet fMRI sırasında uygulanan TEKMER tüm beyin fonksiyonel bağlantısı yaygın değişikliklerin belirlenmesini sağladı.

Bu kombine protokolünü kullanarak gelecekteki çalışmaların sağlık ve hastalık araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedefli uygulama için yeni seçenekler TEKMER eylem mekanizmalarına yeni anlayışlar verim gerekir. Mevcut el yazması fMRI sırasında uygulanan TEKMER teknik yönlerine odaklanarak, bir adım-adım moda bu yeni bir teknik açıklanır.

Giriş

Transkraniyal akım stimülasyonu (TDC'ler) kortikal işleyen iki kafa derisi-yapıştırılmıştır elektrodlar arasında öngörülen zayıf bir elektrik akımı (tipik olarak 1-2 mA) vasıtasıyla modüle edildiği beyin uyarımı bir invazif olmayan bir yöntemdir. Fizyolojik olarak, TDC'ler böylece kortikal uyarılma ¹ değişiklikleri teşvik, sodyum ve kalsiyum kanallarının manipülasyon yoluyla hedeflenen kortikal bölgedeki nöronal dinlenme membran potansiyelinin (RMP) ve kutup bağımlı kayması neden olur. Spesifik olarak, anot uyarımı (atDCS) katot uyarımı (ctDCS) kortikal ² uyarılabilirliğini azaltır nöronal RMP depolorizasyonun ile kortikal etkinliği artırmak için gösterilmiştir. Beyin stimülasyonu diğer türlerine göre (örneğin transkranial manyetik stimülasyon) emniyet iyi kurulmuş ve bugüne kadar hiçbir ciddi yan etkiler daha da savunmasız nüfus ^{3, 4} bildirilmiştir. Aynı zamanda, en az bir lokomotifwer stimülasyon yoğunlukları (kadar 1 mA), etkili bir plasebo ("sahte") stimülasyon koşulu TEKMER deneysel ve klinik araştırma ortamlarında bir çekici aracı render, uyarım koşullarına katılımcıların ve araştırmacıların etkili körleşmesini sağlayan, ⁵ var.

Çeşitli çalışmalar bugüne kadar kortikal eksitabilite bu değişiklikler davranış modülasyonlarına neden olabileceğini göstermiştir. Motor sistemi tutarlı, polarizasyon bağımlı etkileri atDCS ve ctDCS ikisi için ^{1, 6} bildirilmiştir. CtDCS sık bozulmuş bilişsel işleme sonuç vermedi ise bilişsel çalışmalarda, bilişsel fonksiyonları geliştirmek için atDCS istihdam çalışmaların çoğunluğu, performans ⁷ üzerinde yararlı etkileri bildirilmiştir. İkincisi biliş ⁶ yatan nöral işleme kaynaklarının büyük fazlalık ile açıklanabilir. TEKMER çalışmaların çoğunluğu çalışma çapraz tasarımları üzerinde istihdam varsadece zaman ¹ kısa bir süre için geçerli bir fesih outlast stimülasyon acil etkiler. Ancak, sinir mekanizması altında yatan beceri edinme ⁸ yani protein sentezi üzerine uyarım etkileri, tekrarlanan ileri sürülmüştür. Tekrarlanan TEKMER oturumları ve bu gelişmelerin uzun vadeli istikrar sağlıklı erişkinlerde ^8-10 birkaç aya kadar son rapor edilmiştir ile kombine Nitekim, motor ve bilişsel eğitim başarı artabilir. Bu bulgular ayrıca, klinik ortamlarda ve ön veri TDC'ler kullanımında bir ilgi uyandırmıştır aynı zamanda çeşitli hasta topluluğunda ³ içerisinde birincil veya ilave tedavi yaklaşımı olarak yararlı olabileceğini düşündürmektedir. Çalışmaların nispeten çok sayıda motor sisteminde TEKMER nörofizyolojik etkilerini ele iken Ancak, küçük sağlık ve hastalık bilişsel beyin fonksiyonları üzerindeki TEKMER etkileri altında yatan nöral mekanizmalar hakkında bilinmektedir.TEKMER eylem tarzının daha iyi anlaşılması araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedeflenen uygulamalar için gerekli bir ön koşuldur.

Bu sorun, elektroensefalografi (EEG) veya fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi fonksiyonel beyin görüntüleme teknikleri ile TEKMER birleştirerek ele alınabilir. Biliş ve motor fonksiyonlarını altında yatan nöral mekanizmalarını araştıran çalışmaların çoğu fMRI ¹¹ istihdam seçtiniz. Özellikle, fMRI biliş ve motor fonksiyonları ¹¹ altında yatan nöral mekanizmalarını araştırmak için en yaygın olarak kullanılan beyin görüntüleme tekniğidir. TDC'ler eşzamanlı uygulama ile birlikte Üstelik, fMRI EEG ile karşılaştırıldığında tüm beyin boyunca daha yüksek uzamsal çözünürlük ile davranış TDC'ler etkilerin altında yatan mekanizmaların nöral incelenmesi (birleşik TDC'ler-EEG son açıklamaları için Schestatsky et al. ¹²⁾ izin verir. Mevcut el yazması inci açıklarEş zamanlı fMRI sırasında TEKMER e kombine kullanımı. Bu roman tekniği başarıyla motor ve bilişsel fonksiyonların ^13-19 arasında TEKMER kaynaklı modülasyon altında yatan nöral mekanizmalarını incelemek için kullanılır olmuştur. Gelecekte, bu kombine protokol sağlık ve hastalık TEKMER eylem mekanizmalarına yeni anlayışlar verecektir. Bu teknik ile değerlendirildiği gibi büyük ölçekli sinir ağları TEKMER etkisini anlamak araştırma ve klinik ortamlarda TEKMER daha hedefli uygulama için zemin hazırlamak olabilir.

El yazması belirli bir donanım gereksinimleri üzerinde durularak, tekniğin uygulanması ve güvenlik konuları ile, davranışsal TEKMER deneyler ve eş zamanlı fMRI sırasında TEKMER kombine kullanımı arasındaki farklılıklar üzerinde durulacak. Bir örnek olarak, görev-devamsızlık dinlenme-devlet (RS) fMRI sırasında ve bir dil görevi ^{14, 15} w sırasında sol inferior frontal girus (BAG) uygulanan TEKMER tek bir oturumdiğer birçok uygulama ^{16, 19} mümkün olsa hasta, tarif edilebilir. Deneysel tasarım, katılımcı özellikleri ve fMRI veri analizi prosedürleri detaylı orijinal ^14,15 yayınlarda ayrıntılı olarak tarif edilen ve mevcut yazının kapsamı dışındadır edilmiştir. Ayrıca, bu çalışmalarda, ek bir fMRI yer sahte TEKMER (ayrıntılar için "Temsilci sonuçları" bakın) edinilen ve atDCS oturumun sonuçları ile karşılaştırıldığında olduğunu tarayın. Bu oturum uyarım önce tarama oturumu (ayrıntılar için bakınız Şekil 1) başlangıcına kesildi dışında, bu metin içinde tarif edilen ile aynıydı. Mevcut işlem başarıyla İleri Görüntüleme (Charite Üniversitesi Tıp, Berlin, Almanya) için Berlin Merkezi'nde 3-Tesla Siemens Trio MRI tarayıcısı olarak uygulamaya konmuştur ve prensipte diğer tarayıcılar da ¹³ için geçerli olmalıdır.

Protokol

1.. Kontrendikasyonlar ve Özel Hususlar

1. İyice MRG kontrendikasyonlar (örneğin kalp pilleri, klostrofobi, vb) için katılımcılar taranması ve gerekirse hariç. MRI tarayıcıları işletmek klinik veya araştırma kurumlarının standart anket edinin. Tarayıcı odaya girerken her zaman standart güvenlik prosedürleri uyun.
2. İyice TEKMER için kontrendikasyonlar için katılımcılar ekran. Bu MR için kontrendikasyonlar ile çakışabilir. Örnek için Villamar et al. ^20, bkz.
3. Yerel güvenlik ve etik düzenlemelere ilişkin işletim tesisi ile danışmak ve gerekli izinleri almak. Önce (sinyal-gürültü oranı ^{17, 18} TEKMER etkisini test örneğin) gerçek deney başlamadan uyarım geçerli veya TEKMER ekipman tarafından uyarılan potansiyel görüntüleme eserler için bir test.

2. FMRI Kurulum, Deneysel Tasarım ve Malzeme

Not: MRI tarayıcı içinde TEKMER kullanımı özel ekipman gerektirir. Özellikle, özel MR-uyumlu kablolar, filtre kutuları, elektrotlar ve deneklerin baş elektrotlar bağlamak için kayışları gerekmektedir. 2 (A) standart donanım TEKMER göstermektedir ve MRG ile kullanım için (B) bileşenleri Şekil. Bu ikinci bileşenler MRI sırasında yayılan radyo frekans darbe nedeniyle elektrotlar altında ısıtma olasılığını önlemek için gereklidir. Buna ek olarak, yüksek frekanslı görüntü eserler TDC'ler cihaz tarafından indüklenebilir. Hem dış ve tarayıcı odanın içine yerleştirilen filtre kutuları, dirençler ve özel MR-uyumlu iletken lastik elektrotlar ile donatılmış kabloları kullanarak önlenebilir.

1. FMRI deneyi için genel deneysel set-up ve dizileri gerçekleştirin. Her iki çalışmanın amaçlarına bağlıdır. Not: Aşağıdaki protokol speciBu deney için FIC, ancak farklı deneysel durumlarda bir dizi uygulamak için revize edilebilir.
2. Tarayıcı içinde semantik kategorilerin görsel sunumunu içeren bir dil görev için yüklü uyaran sunum yazılımı ile masaüstü bilgisayar kullanın. Bilgisayar ve aynalar bir sisteme bağlı bir projektör ile tarayıcı içinde bir ekranda bu uyaranlara sunuyoruz.
3. Açık sözlü tepkilerin iletimi için bir MR-uyumlu bir mikrofon kullanın. Beş dakikalık bir görev yoktur RS-dizisi ve aleni bir semantik kelime nesil görev: TEKMER sırasında iki fonksiyonel dizileri edinin. Not: Deneysel set-up ek ayrıntıları, fMRI dizileri ve uyaran daha önce ayrıntılı ^{14, 15} 'de tarif edilmiştir ve Şekil 1, bu deneyi göstermektedir.
4. Iki işlevsel taramanın tüm süresini kapsayacak şekilde 20 dakika için 1 mA sabit bir doğru akım sağlamak için TEKMER cihaz, programı cihazı ayarlamak içinkısa molalar ve tarama ^{14, 15} arasında talimatlar için zaman dahil s. Stimülatör yeterince şarj edilmiş olduğundan emin olun; aksi takdirde deney sırasında kapanabilir.
5. Tüm gerekli malzemeleri (Şekil 2) kullanılabilir olduğundan emin olun.

3.. TEKMER Kurulum dışında ve Scanner Inside (şematik bir bakış için Şekil 3)

1. Radyo frekansı filtre (RF) tüp (tarayıcı dışından kabloları eklemek için kullanılabilecek MRI tarayıcısı radyo frekans kalkan yani penetrasyon noktası) yakın dış filtre kutusu yerleştirin. Stimülatör kablosu kullanarak dış kutu ile uyarıcı bağlayın. İç ve dış filtre kutusu kadar karışık olmamalıdır. Not: Şekil 4A, tarayıcı dışında TDC'ler kurulum göstermektedir. Dış kutu açıkça Şekil 4B'de işaretlenir.
2. Han bağlamak için gerekli kablo uzunluğunu ölçünkutu kablosunu kullanarak dış kutu ile er (tarayıcı odasında kablo konumlandırma ile ilgili bir sonraki noktaya bakınız). Tarayıcının dışından RF tüpüne kutusunun kablosunu takın ve dış filtre kutusu (Şekil 4A) ile bağlayın.
3. Tarayıcı delik (Şekil 5) arka ucunun içindeki iç filtre kutusu yerleştirin; yerinde tutmak için yapışkan bant kullanın. İç filtre kutusu kutu kablosunu bağlayın ve bu RF ısıtma neden olabilir herhangi bir kablo döngüleri önlemek. Not: Kablo tarayıcı oda duvarları ile uyumlu ve yapışkan bant (Şekil 3) ile bağlı olmalıdır.

Tarayıcı Katılımcı 4. Katılımcı Hazırlama ve Konumlandırma

1. Geleneksel TEKMER set-up ile, vb gibi, saç spreyi vücut losyonu kaldırmak için, önceden varolan lezyonlar için katılımcının cilt incelemek uzak saç taşımak, alkol ile temiz bir cilt. Elektrotlar ¹² altında deri ^{iletkenliği,} 21 sup.
2. Tuzlu su çözeltisi ile sünger cepler ıslatın ve (katılımcı hazırlanması ve elektrot konumlandırma genel hususlar için dasilva ²¹⁾ cebine MR-uyumlu elektrotlar eklemek.
3. Mark elektrot ferromanyetik izlerini (örn. eyeliner kullanmayın) yaprakları bir kalem kullanarak, deneklerin başlarının üzerinde pozisyonları. 10-20 EEG sistemi kullanılarak anot için hedef konum belirleme (burada: BAG, 5 x 7 cm ² sol) ^{14, 15.} Bunu yapmak için, (a) T3-F3 ve birbirine F7-C3 ve F7-F3 arasında (b) orta noktasını bulun. Hedef konumu, bağlantı hattı noktalarına (a) ve merkezinde (b). Yeri katot (10 x 10 cm ²⁾ sağ supraorbital konumundan (elektrot yerleştirme detayları için Meinzer vd. ^{14, 15} bakınız). Lastik bant kullanarak kafa elektrotlar takın.
4. Tarayıcının arkasında katılımcı rehberlik ve iç filt ile elektrot kablosunu bağlayıner kutu. Aynı anda uyarıcısı üst sağ ve sol alt düğmeye basarak uyarıcısı ve test empedansına açın. Empedans sınırları ulaşıldığında, o stimülatörü otomatik olarak duracaktır. Bu durumda, elektrotlar yine kafa derisi ile temas, temiz bir cilde sahip olup olmadığını kontrol edin ya da süngerler çok kuru hale varsa daha tuzlu çözümü uygulayın ve herhangi bir kablo kırık olup olmadığını denetleyecektir. Not: Empedans çünkü uyarıcısı ve elektrotlar arasında ilave kablo ve filtre kutuları geleneksel set-up göre genellikle daha yüksektir.
5. (Son bir güvenlik kontrolünden sonra) tarayıcı odasına katılımcıyı yönlendirin. Tarayıcı Portaldaki katılımcı yerleştirin ve elektrotlar hala doğru konumda olduğundan emin olun. Kafa bobini kapatın. Elektrot kablo kafa bobinin sol alt kısmından girer (bkz. Şekil 6) veya imalatçının önerilerine göre yapılmalıdır.
6. Tarayıcı deliğin içine katılımcıyı taşıyın. Kablo yapmak emin olunes Portaldaki yakalamak ve (bu aşamasında kablonun olası bir güvenli pozisyon için bkz. Şekil 6) kırmak değil. Katılımcı tarayıcı içinde nihai konuma ulaştığında, tarayıcının arka ucundan elektrot kablosu ulaşmak ve iç filtre kutusuna bağlayın. Katılımcıya acil durum butonu teslim ve tarayıcı odadan.

5.. Uyarılması Başlangıç

1. Tarama oturumun başlaması konusunda katılımcıyı bilgilendirmek için tarayıcı interkom kullanın. Yapısal yerelleştirici tarama (tarayıcı katılımcının baş konumunu belirlemek ve daha sonraki fonksiyonel ve yapısal taramaları planlanması için izin vermek için) tarama konsolunu kullanmaya başlayın. Yüksek frekanslı eserler için yerelleştirici tarama kontrol edin: iktisap süresinin bitiminden sonra yerelleştirici tarama çift tıklayın ve sağ fare tuşuna basılı tutarak ve sol fare ve doğru hareket ettirerek Siemens Trio için (kontrastı ayarlamak; örnekler Şekil 7A görmek içinve 7B).
2. Stimülasyon başlayacak konuya iletişim kurmak için tarayıcı interkom kullanın ve o / o kısa bir süre kafa derisi üzerinde bir karıncalanma hissi hissedebilirsiniz. İlk fonksiyonel tarama için talimatları tekrarlayın. Bu örnekte, tarama (5 dk) süresince kapalı gözlerini tutmak için katılımcı talimat mümkün olduğunca az hareket ve özellikle de bir şey düşünüyorum. Emin olun projektör kapatıldıktan RS-taraması sırasında görsel uyarılma önlemek için (tarayıcı deliğin içine ekran siyah oluyor).
3. Stimülasyon Başlangıç ​​el önce birinci işlevsel tarama (RS-scan) başlamasından yaklaşık 1-2 dakika. RS-dizisi yüklemek için tarayıcı konsolunu kullanın. Açmak için RS-dizisine çift tıklayın saha-view (FOV), tüm beyin kapağı ve ön-arka komissura'da yaklaşık hizalamak konumunu ayarlamak. (START tarama düğmesini kullanarak) ilk taramayı başlatın.
4. Deney boyunca empedansı izlenmesi. Not: Eğer experiment çift-kör modu (katılımcı ve araştırmacı uyarılması bilmeyen) yapılır, ikinci bir araştırmacı empedansını izlemek için gerekli olabilir.
5. RS-dizisi çalışırken, taramalar arasındaki gerekli süreyi azaltmak için, yukarıdaki gibi tarayıcı konsolunu kullanarak, (sonraki görevi için) ikinci işlevsel görüntüleme sırasını yüklemek ve FOV'yi ayarlayın. RS-dizisinin sonunda, dil görevi sırasında deneysel uyaranların görsel ekran sağlamak için projektörü açın. Sunum yazılım simgesine ve yük dil paradigma üzerine çift tıklayın. Görevle ilgili fMRI paradigma için talimatları tekrarlayın ve görevi ^{14, 15} ile başlaması tarayıcı interkom kullanın.
6. Stimülasyon / fMRI deney sonunda, planlı yapı taramaları ile devam ediyor. Tarama oturumun sonuna kadar elektrot kabloları çıkarmayın.
7. Deneyin sonunda, katılımcı üzerinden geçmeden önce iç filtre kutusundan elektrot kablosunu çıkarıntarayıcı deliğin. , Tarayıcıdan katılımcıyı çıkarmak kafa bobini ayırmak ve oturup dikkatle elektrotlar katılımcıdan.

Sonuçlar

Fonksiyonel MRI, motor ve bilişsel fonksiyonların altında yatan nöral mekanizmalarını ele en yaygın olarak kullanılan fonksiyonel görüntüleme tekniğidir. Daha yakın zamanlarda, aynı zamanda kortikal FMRI aktivitesi ve ilgili bağlantı TDC'ler etkilerini değerlendirmek için kullanılmıştır. Ancak bu çalışmaların çoğu tarayıcı dışında TEKMER uygulanan ve (yani önceden tarama ^{22, 23} TEKMER uygulanan) stimülasyon çevrimdışı etkilerini değerlendirdik. Sadece birka...

Tartışmalar

Eş zamanlı FMRI TDC'ler ile kombine uygulaması, yüksek uzamsal çözünürlük ^13-19 ile tüm beyin boyunca stimülasyon hemen etkilerinin ortaya çıkması için nöral temeli potansiyel göstermiştir. Gelecekte, bu tür çalışmalar, ikincisi tekniğinin superior temporal çözünürlük yararlanabilmesi için, kombine EEG-TEKMER çalışmalarla tamamlanmaktadır olabilir. Buna ek olarak, intrascanner stimülasyon kafa derisi üzerinde elektrotların doğru konumlandırma doğrulama (örn.

Malzemeler

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