Name: measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2020-02-23T15:00:00
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이 작품은 미시간 대학에 의해 지원되었다: MCubed 학자 프로그램 및 운동 학의 학교.

다음 세 가지 TMS 방법은 아래에 설명되어 있습니다. 첫째, 두 가지 방법은 이중 사이트 경두개 자기 자극 (dsTMS)을 사용하여 피질 피질 연결을 측정하는 데 설명되어 있으며 참가자는 1) 휴식 상태 (휴식 상태) 또는 2) 개체 지향 도달 - 투 - 파악 운동을 수행하는 동안 ( 작업에 따라 다름). 둘째, 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS) 방법은 기능적 강화를 위해 피질 자극 (예를 들어, 후방 정수리 및 1 차 ?...

여기에 설명된 이중 사이트 TMS 방법은 참가자가 휴식을 취하거나 목표 지향적 인 행동을 계획하는 동안 기본 모터 피질과 상호 연결된 다른 피질 영역 간의 기능적 상호 작용을 조사하기 위해 사용될 수 있습니다. 두뇌 화상 진찰은 상관관계, 이중 사이트 TMS 방법에서 기본적인 지식은 피질 피질 회로에 있는 변경과 관련되었던 인과 두뇌 행동 관계를 드러낼 수 있습니다. 또한 M1과 상호 연결된 영...

비침습적 뇌 자극은 파킨슨병, 알츠하이머병,뇌졸중1,2,3,4와같은 많은 신경 질환에 대한 유망한 평가 도구 및 치료법이다. 신경 질환의 행동 징후와 피질 흥분성, 신경 가소성, 피질 피질 및 피질 피질 피질 피질연결성5,6의이상 사이의 관계를 확립하는 증거가 축적되어 있습니다. 따라서 신경 학적 조건에서 뇌 네트워크 역학 및 가소성에 대한 기본 지식은 질병 진단, 진행 및 치료에 대한 반응에 대한 귀중한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 기능성 자기공명영상(f MRI)은 건강하고 병들인 뇌망 모두에서 뇌와 행동 사이의 복잡한 관계를 이해하는 데 유용한 도구이며네트워크 관점7,8,9에기초하여 치료를 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나, fMRI는 본질적으로 상관관계가 있고 뇌 기능과 행동 사이의 인과관계를 제공할 수 없으며, 환자10,11,12의행동 장애와 관련된 비정상적인 신경 회로를 복원하기 위한 기능적 연결을 조작할 수 없다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 인과 관계로 측정하고 건강과 질병3,13,14,15에서인간의 뇌 기능과 행동을 조절 할 수 있습니다.
TMS는 인간의 뇌를 자극하는 안전하고 비침습적 인 방법입니다.16,17가소성을 유도하고 측정하는 데 사용할 수 있습니다.18. 이 방법은 개별 적인 두뇌 영역 과 행동 사이 인과 관계의 우리의 이해를 진전시킬 수 있습니다10,11,12,19뇌 네트워크의 다른 노드와의 특정 기능 적 상호 작용20,21,22,23. 현재까지 대부분의 연구는 모터 피질 (M1)의 손 영역에 TMS가 모터 행동과 관련된 변화에 대한 생리적 판독으로 모터 유발 전위 (MEP)를 생성 할 수 있다는 점을 감안할 때 인간의 운동 시스템에 초점을 맞추고 있습니다.24, 인간의 뇌의 시스템 수준에서 다른 억제 및 흥분성의 회로의 검사를 허용25. 2개의 코일을 이용한 컨디셔닝 테스트 TMS 접근법을 이용한 최근의 발전은 상이한 피질 영역 들 간의 기능적 상호작용을 측정할 수 있음을 보여준다. 모터 시스템에서 이중 사이트 TMS 실험은 M1과 상호 연결된 피질 영역의 입력이 작업 요구, 연령 또는 질병에 따라 변경될 수 있음을 보여줍니다.14,26. Ferbert와 동료에 의한 정액 작용은 다른 M1의 시험 자극 이전에 M1에 컨디셔닝 자극을 적용하면 MEP 진폭의 억제를 초래할 수 있다는 것을 발견했습니다, 짧은 간격 간 반구 적 억제로 알려진 현상 (SIHI)28. 이 접근법을 이용한 다수의 TMS 연구는 M1이 반대측 M1, 복부 전운동 피질(PMv), 등쪽 전운동 피질(PMd), 보조 운동 영역(SMA), Pre-SMA, 1차 감각 피질(S1)과 강하게 상호 연결된다는 것을 보여주었습니다. 등측 전두엽 피질 (DLPFC), 그리고 후방 정수리 피질 (PPC) 휴식27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. 흥미롭게도, 운동 피질 흥분성에 대한 이러한 피질 영역에서 자극의 효과는 해부학적으로, 시간적으로, 그리고 운동 준비 중에 진행중인 뇌 활동에 기능적으로 특이적입니다 (상태 및 상황에 따라 의존적43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). 그러나, 이중 사이트 TMS를 사용하여 아주 몇몇 연구 결과는 두뇌 무질서를 가진 환자에 있는 모터 및 인식 손상과 기능적인 피질 피질 연결의 패턴을 특징으로 했습니다70,71,72. 이것은 모터 와 인지 장애를 평가하고 취급하기 위한 새로운 방법을 개발하는 기회를 줍니다.
이 기술을 사용하여, 또한 대측 M168,69, 70,PMv76,77,78,SMA71,및 PPC80,81,82와 같은 M1과 상호 연결된 피질 영역에 적용된 피질 TMS의 반복쌍이 Hebb의80,81,82에 기초하여 특정 신경 통로의 변화를 유도할 수 있다는 것을 발견되었습니다. ,84,85,86 및 행동 성능향상 72,73,74. 아직도, 몇몇 연구 결과는 신경장애에있는 회로 그리고 가소성 역기능을 공부하기 위하여 이 접근을 이용했습니다2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. TMS를 사용하여 기능적으로 특정 신경 경로를 강화하는 것이 기능 장애 회로의 활동을 복원할 수 있는지, 또는 손상되지 않은 회로의 장래 강화가 수명 및 질병에 걸쳐 모터 및 인지 기능을 지원하는 뇌 네트워크의 탄력성97을 증가시킬 수 있는지 여부를 보여 야 합니다. 신경 장애의 근본적인 이해의 부족 및 상호 연결 된 기능 장애 뇌 네트워크에 자극의 효과 현재 치료를 제한.
그 능력에도 불구하고, TMS는 아직 뇌 행동 관계, 뇌 질환의 병리생리학 및 치료의 효과를 이해하기위한 신경 과학 및 임상 도구의 armamentarium의 표준 부분이 될 수 있습니다. 따라서 잠재력을 실현하고 대규모 응용프로그램을 지원하기 위해 TMS 방법을 표준화하는 것은 독립적인 실험실 전체에서 향후 TMS 실험의 엄격함과 재현성을 증가시킬 가능성이 높기 때문에 중요합니다. 이 문서에서는 TMS를 사용하여 기능 상호 작용을 측정하고 조작하는 방법을 설명합니다. 여기서, 우리는 TMS 기반 출력 측정값(예를 들어, MEP)을 측정하여 모터 시스템(예를 들어, parieto-motor pathway44)에서이 기술을 설명하며, 여기서 그 방법이 가장 잘 이해된다. 그러나, 이 프로토콜은 또한 다른 피질85,소뇌86,87및 피질 영역의 표적 기능 적 결합에 적응될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 73,74,88 또한, EEG89,90, 91 및 fMRI92,93과 같은 신경 이미징 기술은 TMS 유발 활동 및 연결성 변화를 평가하는데 사용될 수 있다26,94. 우리는 건강과 질병 둘 다에 있는 이 TMS 방법과 회로 수준 피질 연결의 기능적인 관련의 연구 결과가 두뇌 행동 관계의 더 정교한 네트워크 모형에 근거를 둔 표적으로 한 진단 그리고 혁신적인 치료를 개발하는 것을 가능하게 한다는 것을 건의해서 결론을 내립니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Alpha B.I. D50 coil (coated)</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>50mm coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BrainSight 2.0 Software</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>Neuronavigation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BrainSight frameless Stereotactic System</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>Neuronavigation equiptment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D702 Coil</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>70mm coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Discovery MR750</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td>3.0T MRI machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Earplugs</td>
			<td>3M</td>
			<td></td>
			<td>Foam earplugs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECG Electrodes 30mm x 24mm</td>
			<td>Coviden-Kendall</td>
			<td>H124SG</td>
			<td>Disposable electrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Four Channel Isolated Amplifier</td>
			<td>Intronix Technologies Corporation</td>
			<td>2024F</td>
			<td>EMG amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gGAMMAcap</td>
			<td>g.tec Medical Engineering</td>
			<td></td>
			<td>EEG head cap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro1401-3</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td></td>
			<td>Scientific data recorder and processing machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuprep Skin Prep Gel</td>
			<td>Weaver and Company</td>
			<td></td>
			<td>Skin prep abrasive gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal v.7</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td></td>
			<td>Data acquisition and analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>The Magstim BiStim2</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>Transcranial magnetic stimulator (two 2002 units)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation

뇌 영역 간의 상호 작용을 이해하는 것은 목표 지향적 인 행동의 연구에 중요합니다. 뇌 연결의 기능적 신경 이미징은 인지, 학습 및 운동 제어와 같은 뇌의 기본 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다. 그러나, 이 접근은 관심의 두뇌 지역의 관련을 위한 인과적인 증거를 제공할 수 없습니다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 뇌 활동을 일시적으로 수정하여 이러한 한계를 극복 할 수있는 인간의 뇌를 연구하기위한 강력하고 비 침습적 인 도구입니다. 여기에서는 서로 다른 작업 컨텍스트 동안 인간 모터 시스템에서 피질 피질 상호 작용을 인과적으로 프로브하는 두 개의 코일을 사용하여 쌍펄스, 이중 사이트 TMS 방법을 사용하여 최근의 발전을 강조합니다. 또한, 우리는 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS)에 근거를 둔 이중 사이트 TMS 프로토콜을 설명합니다 2개의 코일과 피질 자극의 반복된 쌍을 적용해서 두 개의 상호 연결된 두뇌 지역에 있는 시냅스 효율성을 일시적으로 향상시냅스 효율성을 향상합니다. 이 방법은 두뇌 회로를 조절하고 행동을 향상시키기 위하여 표적으로 한 방식으로 특정 신경 통로를 조작에 대한 새로운 관점 뿐만 아니라 인지 모터 기능의 근본적인 기계장치의 더 나은 이해를 제공할 수 있습니다. 이 접근은 두뇌 행동 관계의 더 정교한 모형을 개발하고 많은 신경학상 및 정신 장애의 진단 그리고 처리를 향상하는 효과적인 공구일 수 있습니다.

도 5는 참가자가 휴식 상태인 동안 PPC(CS-TS, 적색 트레이스)로부터 무조건적인 시험 자극(TS 단독에서 M1, 청색 트레이스) 또는 컨디셔닝된 자극에 대해 TMS에 의해 FDI 근육에서 유도된 예시MEP 반응의 크기를 나타내거나 물체(하단 패널)에 대한 목표 지향적 인 파악 작용을 계획한다. 나머지에서, PPC는 M1(상부 패널)을 통해 Suprathreshold TS 전에 PPC 5 ms 를 통해 전달된 서브 임계값 CS?...

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Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

이 기사에서는 경두개 자기 자극을 통해 기능적으로 특정 신경 경로를 측정하고 강화하는 새로운 접근법을 설명합니다. 이러한 고급 비침습적 뇌 자극 방법론은 뇌-행동 관계의 이해와 뇌 질환을 치료하는 새로운 치료법의 개발을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.

경두개 자기 자극을 통해 인간 모터 시스템의 기능적으로 특정신경 경로 측정 및 조작

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...

이 기술은 뇌 회로가 정신 및 신경 장애에서 어떻게 엉망이되는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 그리고 어떻게 우리가 행동을 강화하기 위해 이러한 기능 장애 회로를 복구하기 위해 뇌 활동을 조작 할 수 있습니다. 뇌 흥분성과 회로를 직접 활성화하고 억제함으로써 이 기술은 관찰에서 인과 관계로 신경 과학적 초점을 전환할 수 있게 해주며 뇌와 행동에 대한 심층적인 이해를 제공합니다.비침습적 뇌 자극은 많은 신경 장애를 평가하고 치료하는 데 사용할 수 있으며 뇌 행동 연결의 보다 정교한 모델을 기반으로 진단 및 치료를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법은 운동 시스템의 변경된 연결 패턴을 중화할 뿐만 아니라 생리적 노화, 정신 및 신경 장애와 관련된 인지 네트워크에서도 중화할 수 있습니다. TMS 및 MRI에 대한 오른손잡이 및 금기 사항을 심사한 후 각 참가자에게 현지 기관 검토 위원회가 승인한 연구 목표, 절차 및 위험에 대해 알리고 서면 동의를 얻습니다.EMG 전극의 배치를 위해, 참가자는 두 팔이 편안한 자세로 지지되는 실험 체에 편안하게 앉아 있고 자극 중에 머리 움직임을 최소한으로 유지하기 위해 턱 받침대를 제공합니다. 가벼운 연마제를 사용하여 관심있는 근육에 피부를 청소하십시오. 배꼽 힘줄 전극 배열을 사용하여, 배꼽 근육에 일회용 실버 염화물 전극 1 개를 배치하고, 다른 하나는 참가자의 양손에 참조 사이트로 근처의 뼈 랜드 마크에 배치합니다.그런 다음 접지 전극을 소유자 스타일로이드 프로세스에 연결한 다음 피부의 각 전극 간에 확인하여 완전한 접촉을 확인합니다. 필요에 따라 피부 표면 접촉을 개선하기 위해 전극의 표면에 테이프를 배치합니다. TMS 세션 전에 참가자구조 MRI 스캔을 신경 탐색 시스템에 업로드합니다.스캔 내에서 M-one에 해당하는 해부학적 랜드마크를 손손잡이에 궤적 마커를 놓습니다. 왼쪽 중앙지방자이루스는 중간 좌측선에서 45도, 중앙 황액에 약 수직이 있다. 신경 항법 시스템으로 해부학 적 랜드 마크를 기록하고 이름을 지정하고 관심있는 비 모터 영역에 두 번째 궤적 마커를 배치합니다.그런 다음 신경 탐색 시스템으로 두 번째 위치를 기록하고 이름을 지정합니다. 먼저 교정 블록으로 각 TMS 코일을 보정하고 헤드 트래커를 참가자의 머리에 단단히 배치하여 트래커가 실험 기간 내내 볼 수 있도록 합니다. 참가자 머리에 해부학 적 랜드 마크를 공동 등록, 신경 네비게이션 시스템에.코일 2로 국소화 및 임계값을 지정하려면, 먼저 코일의 중심을 표적 M-1 위치 위에 배치하여 뇌의 후방 전방 전류 방향을 유도한다. 대상 근육의 활성화를 위한 최적의 위치를 찾으려면 기계의 30%에서 M-one에 펄스를 전달하고 전달된 자극이 근육 경련을 생성하는지 관찰한다. 데이터 수집 시스템에 의해 표시되는 근육 활성으로부터 EMG 전극으로 기록된 모터-연상 전위의 진폭을 결정한다.모터에서 유발한 전위 또는 눈에 보이는 근육 트위치가 관찰되지 않으면 자극기 출력을 5% 증가시계속 증가시면 계속 증가합니다. 응답이 관찰되면, 가장 낮은 강도로 단계적 방식으로 강도를 낮추고, 그 중 적어도 50 마이크로 볼트의 진폭으로 모터가 불러일으킨 잠재적 반응 중 5개를 생성하는 반면, 참가자는 휴식 모터 임계값을 결정하기 위해 나란히 있다. 코일 M-one으로 지역화하고 임계값을 지정하려면 M-one 코일을 사용하여 최적의 자극 위치를 결정합니다.근육이 완전히 완화될 때 표적 손 근육의 10번의 시험 중 5개에서 적어도 1밀리볼트의 모터 를 연상시키는 잠재력을 생성하는 데 필요한 가장 낮은 자극기 강도를 결정합니다. 그런 다음 신경 탐색 시스템 내에서 M-one 코일의 위치를 표시하고 기록합니다. 참가자가 휴게 상태에 있을 때 이중 사이트 TMS의 경우 그림 8자 형 코일을 두 개의 개별 TMS 자극기에 연결합니다.M-one 코일로 M-one을 통해 테스트 자극을 전달하고 코일 2로 다른 관심 영역에 컨디셔닝 자극을 전달합니다. 코일 2에 대한 컨디셔닝 자극에 대한 최대 자극기 출력 강도의 백분율을 입증된 대로 결정합니다. 시험 자극을 위해, 표적 정지 손 근육에 약 1 밀리볼트의 모터 유발 잠재적 진폭을 유도하고 컨디셔닝과 테스트 자극 사이의 정확한 상호 자극 간격을 설정하는 이전에 결정된 강도를 사용합니다.M-1 코일을 왼쪽 M-1 위에 배치하고 코일을 다른 관심 영역에 배치합니다. M-one 코일로 시험 만 전달합니다. 페어링된 펄스 시험의 경우, 코일 2개로 컨디셔닝 자극을 전달한 다음, 각 시험마다 4초 데이터 수집 스윕을 사용하여 소정의 인터자극 간격으로 M-one 코일에 테스트 자극을 전달하고 1초 간 시험 간격을 제공합니다.프로그램을 TMS 펄스로 제공하려면 TMS 컴퓨터의 트리거 버튼을 사용하여 제공된 제어 소프트웨어에 대해 사용하거나 외부 컨트롤러에서 사용자 지정 만든 코딩 스크립트를 사용합니다. 앞에서 설명한 방법을 사용하여 M-one과 상호 연결된 서로 다른 피질 영역 간의 기능적 상호 작용을 검사하지만 네트워크를 연결하는 작업의 준비 단계에서는 검사합니다. 사용자 지정 만든 코딩 스크립트를 사용하여 단기간에 두 개의 서로 다른 피질 영역에 반복된 단풍 펄스 쌍을 전달하려면 자극당 8.3분 동안 0.2 hertz에서 100쌍의 자극을 생성합니다.실험cPAS를 M-one 상태로, 코일 2로 비모터 영역 위에 각 자극 쌍의 첫 번째 펄스를 전달한 후 M-one 코일로 M-1 코일로 두 번째 펄스를 전달하며, 5밀리초의 인터립 간격을 제공합니다. 코일 모두에 대한 펄스 강도는 임계값 및 국소화 중에 이전에 결정되어야 합니다. M-one 코일로 기준선 코르티코스피날 측정을 얻은 후 cPAS 후 다른 시간에 M-one 코일로 코르티코스피날 측정을 얻어 뇌 흥분성에 대한 TMS 유도 효과의 시간 과정을 검사합니다.여기서 대표적인 모터-발간 전형반응의 크기는 TMS에 의한 첫 번째 등쪽 중구 근육에서 유도하여 무조건 시험을 위해, 또는 후방 정수리 피질로부터 조절된 자극을, 참가자가 쉬고 있는 동안, 또는 목표에 지시된 대상에게 지시된 물체에 대한 이해를 유도하는 동작을 미리 한다. 나머지, 후방 정수리 피질은 MEP 진폭의 감소에 의해 나타난 바와 같이, M-1을 통해 슈퍼 임계 값 테스트 자극 전에 5 밀리초, PPC를 통해 전달된 서브 임계 값 컨디셔닝 자극에 의해 전형적으로 나타난 바와 같이, ipsilateral M-one에 억제 영향을 미칩니다. 손아귀 작용의 준비 중, 후방 정수리 피질에서 나머지에이 그물 억제 드라이브, 촉진으로 전환.모터를 연상시키는 잠재적 진폭을 각 조건에 대한 자극 단독 시험으로 정규화하고, 모터를 유발할 수 있는 잠재적 진폭에 대한 비율로 플롯하면 후방 정수리 피질 M-one 상호 작용이 물체 지시손아움을 계획할 때 휴식에서 촉진되었다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 분석에서, cPAS 프로토콜의 투여 중 모터에서 유발된 잠재적 진폭의 변화를 관찰할 수 있다. 후방 정수리 피질 및 M-one의 페어링 된 자극에 의해 유도 된 모터 유발 잠재적 진폭은 자극 프로토콜 동안 시간이 지남에 따라 점차적으로 증가하여 정수리 모터 연결, M-one 피질 뉴런 또는 둘 다의 수준에서 플라스틱 효과를 시사합니다.모터-발동 된 잠재적 진폭의 크기는 cPAS 프로토콜 후 10 분 증가, 후후 피질 자극의 반복 쌍의 투여 후 운동 흥분성을 유도 했다 제안 후 후방 정리탈 피질 및 M-one. 이 프로토콜은 다른 뇌 영역에 적용하거나 피질 연결및 인식, 감각 지각 및 기분에 미치는 영향을 연구하기 위해 뇌 이미징과 함께 사용할 수 있습니다. 이러한 이중 시력 프로토콜을 표준화하면 실험 설계의 개선과 표적 치료법의 최적화가 가능합니다.신경 및 정신 장애의 이환율과 장애를 감소시킵니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

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연구

신경과학

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사용 하 여 발목 근육의 Corticospinal 통로의 양측 평가 Transcranial 자석 자극 탐색

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3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

Sciatic 신경 호감 상해의 쥐 모형에 있는 기능 평가를 위한 3D 운동학 분석

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...

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Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement

Transcranial Direct Current Stimulation tDCS for Memory Enhancement

Memory enhancement is one of the great challenges in cognitive neuroscience and neurorehabilitation. Among various techniques used for memory enhancement, ...