Summary

Non-invasieve elektrische hersenstimulatie Montages voor Modulatie van Human Motor Function

Published: February 04, 2016
doi:

Summary

Niet-invasieve elektrische hersenstimulatie kunnen corticale functie en het gedrag, zowel voor onderzoek en klinische doeleinden te moduleren. Dit protocol beschrijft verschillende hersenstimulatie benaderingen voor de modulatie van de menselijke motoriek.

Abstract

Niet-invasieve elektrisch hersenstimulatie (NEBS) gebruikt om hersenfunctie en gedrag moduleren zowel voor onderzoeksdoeleinden en klinische doeleinden. In het bijzonder kan NEBS transcranially hetzij als directe stroom stimulatie (tDCS) of wisselstroom stimulatie (TAC's) worden toegepast. Deze types stimulatie oefenen tijd-, dosis- en in het geval van tDCS polariteit-specifieke effecten op de motorische functie en de vaardigheid leren bij gezonde proefpersonen. De laatste tijd heeft tDCS gebruikt voor de behandeling van motorische stoornissen bij patiënten met een beroerte of bewegingsstoornissen vergroten. Dit artikel geeft een stap-voor-stap protocol voor het richten van de primaire motorische cortex met tDCS en transcraniële ruis stimulatie (Trns), een specifieke vorm van TAC middels een elektrische stroom willekeurig aangebracht binnen een vooraf bepaald frequentiebereik. De opzet van twee verschillende stimulatie montages wordt uitgelegd. In beide montages de emitterende elektrode (de anode voor tDCS) wordt op de primaire motorische cortex plaats. Voorunilaterale motorische cortex stimulatie de ontvangende elektrode wordt op de contralaterale voorhoofd terwijl bilaterale motorische cortex stimulatie de ontvangende elektrode wordt op de tegenoverliggende primaire motorische cortex. De voor- en nadelen van elk montage voor de modulatie van corticale prikkelbaarheid en motorische functies waaronder het leren worden besproken, evenals de veiligheid, verdraagbaarheid en verblindende aspecten.

Introduction

3 niet-invasieve elektrische hersenstimulatie (NEBS), het toedienen van elektrische stromen naar de hersenen door middel van de intacte schedel, kan de hersenfunctie en gedrag 1 te wijzigen. Om het therapeutisch potentieel van NEBS strategieën inzicht in de onderliggende mechanismen die leiden tot neurofysiologische en gedragseffecten nog nodig optimaliseren. Standaardisatie van toepassing in verschillende laboratoria en volledige transparantie van de stimulatie procedures vormt de basis voor de vergelijkbaarheid van de gegevens die betrouwbare interpretatie van de resultaten en de evaluatie van de voorgestelde werkingsmechanismen ondersteunt. Gepulste elektromagnetische velden (tDCS) of transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC's) verschillen door parameters van de toegepaste elektrische stroom: tDCS bestaat uit een in één richting een constante stroom tussen twee elektroden (anode en kathode) 2-6, terwijl de TAC's maakt gebruik van een wisselspanning toegepast bij een7 specifieke frequentie. Transcraniële ruis stimulatie (Trns) is een speciale vorm van TAC dat een wisselspanning aangebracht willekeurig frequenties gebruikt (bv., 100-640 Hz) resulteert in snel variërende stimulatie-intensiteiten en verwijderen van polariteit gerelateerde effecten 4,6,7. Polariteit slechts van belang indien de stimulatie instelling omvat een stimulatiekanaal te compenseren, bijvoorbeeld ruisspectrum willekeurig verandert rond 1 mA basislijn intensiteit (meestal niet gebruikt). Voor de toepassing van dit artikel zullen we ons richten op het werk met behulp tDCS en Trns effecten op het motorische systeem, op de voet na een recente publicatie van ons lab 6.

De onderliggende werkingsmechanismen van Trns zelfs minder begrepen dan van tDCS maar waarschijnlijk anders dan de laatste. Theoretisch, in het conceptuele kader van stochastische resonantie Trns introduceert-stimulatie veroorzaakte lawaai tot een neuronale systeem dat een signaal processing voordeel kunnen bieden door het veranderen van the signaal-ruisverhouding 4,8,9. TRNS kan overwegend versterken zwakkere signalen en kon dus taakspecifieke hersenactiviteit (endogene lawaai 9) te optimaliseren. Anodische tDCS verhoogt corticale prikkelbaarheid aangegeven door wijziging van de spontane neuronale vuursnelheid 10 of verhoogde motor evoked potential (MEP) amplitudes 2 met de gevolgen outlasting de stimulering duur van minuten tot uren. Langdurige toename in synaptische werkzaamheid bekend als langetermijnpotentiëring wordt gedacht dat ze bijdragen aan leren en geheugen. Inderdaad, anodische tDCS verhoogt synaptische werkzaamheid van de motor corticale synapsen herhaaldelijk geactiveerd door een zwakke synaptische ingang 11. Overeenkomstig, wordt verbeterd motorische functie / aanleren van vaardigheden vaak onthuld alleen als stimulatie is co-aangebracht met motor training 11-13, ook suggereert synaptische co-activering als een voorwaarde van deze activiteit-afhankelijk proces. Toch causaliteit tussen de verhogingen in cortical prikkelbaarheid (verhoging van de vuursnelheid of MEP amplitude) aan de ene kant en een verbeterde synaptische werkzaamheid (LTP of gedragsproblemen functie zoals motorisch leren) aan de andere kant is niet aangetoond.

NEBS toegepast op de primaire motorische cortex (M1) is toenemende belangstelling als veilige en effectieve methode aangetrokken voor de menselijke motoriek 1 moduleren. Neurofysiologische effecten en ontwikkelingsuitkomst kan afhangen van de stimulatiestrategie (bijvoorbeeld tDCS polariteit of Trns), elektrodengrootte en montage 4 6,14,15. Naast subject inherente anatomische en fysiologische factoren de elektrode montage aanzienlijk beïnvloedt elektrische veldverdeling en kunnen leiden tot verschillende patronen van huidige verspreiding binnen de cortex 16-18. Naast de intensiteit van de aangelegde stroom de grootte van de elektroden bepaalt de stroomdichtheid afgeleverd 3. Gemeenschappelijke elektrode montagesin menselijke bewegingsapparaat studies omvatten (Figuur 1): 1) anodische tDCS eenzijdige M1 stimulatie met de anode gepositioneerd M1-plaats en de kathode geplaatst op de contralaterale voorhoofd; het basisidee van deze aanpak is opregulatie van prikkelbaarheid in de M1 van belang 6,13,19 22; 2) anodische tDCS bilaterale M1 stimulatie (ook wel "bihemispheric" of "dual" stimulatie) bij de anode geplaatst op de M1 van belang en de kathode geplaatst op de contralaterale M1 5,6,14,23,24; Het basisidee van deze benadering is het maximaliseren stimulatie voordelen van opwaartse regulatie van exciteerbaarheid in de M1 plaats terwijl neerwaarts reguleren van exciteerbaarheid in de tegengestelde M1 (dwz modulatie van interhemisferische remming tussen de twee M1S); 3) Voor Trns, alleen de hierboven genoemde eenzijdige M1 stimulatie montage is geweest bestuderen enated 4,6; deze montage exciteerbaarheid veredelingseffecten Trns hebben gevonden frequentiespectrum van 100-640 Hz 4. De keuze van de hersenstimulatie strategie en de elektrode montage vormt een cruciale stap voor een efficiënt en betrouwbaar gebruik van NEBS in klinische of research instellingen. Hier deze drie NEBS procedures worden in detail beschreven, zoals gebruikt in de menselijke motoriek studies en methodologische en conceptuele aspecten komen aan bod. Materialen voor unilaterale of bilaterale tDCS en unilaterale Trns hetzelfde (figuur 2).

Figuur 1
Figuur 1. elektrode montages en de huidige richting voor verschillende NEBS strategieën. (A) voor eenzijdige anodische gepulste elektromagnetische velden (tDCS), zal de anode gecentreerd over de primaire motorische cortex van de rente en de kathode geplaatst over tHij contralaterale supra-orbitale gebied. (B) voor de bilaterale motorische cortex stimulatie, anode en kathode bevinden zich elk meer dan één motor cortex. De positie van de anode is bepalend voor de motorische cortex van belang zijn voor anodische tDCS. (C) voor eenzijdige transcraniële ruis stimulatie (Trns), een elektrode bevindt zich op de motorische cortex en de andere elektrode op de contralaterale supra-orbitale gebied. De stroomloop tussen de elektroden is aangegeven door de zwarte pijl. Anode (+, rood), de kathode (-, blauw), Wisselstroom (+/-, groen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

Ethiek statement: Human studies vereisen schriftelijke toestemming van de deelnemers vóór de studie. Verkrijgen van goedkeuring door de relevante ethische commissie voor werving van deelnemers. Zorg ervoor dat studies zijn in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. De vertegenwoordiger van de bevindingen hier gerapporteerd (figuur 4) zijn gebaseerd op een studie uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki gewijzigd door de 59 e Algemene Vergadering, Seoul, oktober 2008 …

Representative Results

Om de effecten van NEBS op het menselijk motor systeem te onderzoeken is het belangrijk om de juiste uitkomst maatregelen te overwegen. Een voordeel van het motorsysteem is de toegankelijkheid van de corticale representaties van elektrofysiologische gereedschappen. Motor opgewekte potentialen worden vaak gebruikt als een indicator van motor corticale prikkelbaarheid. Na het aanbrengen van 9 of meer minuten anodisch tDCS bij een stroomdichtheid van 29 uA / cm 2, wordt motor cor…

Discussion

Dit protocol beschrijft typische materialen en procedurele stappen voor de modulatie van de hand motorische functie en vaardigheden te leren met behulp van NEBS, specifiek unilaterale en bilaterale M1 stimulatie voor anodische tDCS en eenzijdige Trns. Voor het kiezen van een bepaalde NEBS protocol voor een menselijke motoriek studie, bijv. In het kader van motorisch leren, methodologische aspecten (veiligheid, verdraagbaarheid, verblindende) als conceptuele aspecten (montage of de huidige soort specifieke effec…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MC en JR worden gesteund door de Duitse Research Foundation (DFG RE 2740 / 3-1).

Materials

NEBS device (DC Stimulator plus) Neuroconn
Electrode cables Neuroconn
Conductive-rubber electrodes Neuroconn 5×5 cm
Perforated sponge bags Neuroconn 5×5 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

References

  1. Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr Opin Neurol. 24 (6), 590-596 (2011).
  2. Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (3), 633-639 (2000).
  3. Nitsche, M. A., Cohen, L. G., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1 (3), 206-223 (2008).
  4. Terney, D., Chaieb, L., Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation. J Neurosci. 28 (52), 14147-14155 (2008).
  5. Kidgell, D. J., Goodwill, A. M., Frazer, A. K., Daly, R. M. Induction of cortical plasticity and improved motor performance following unilateral and bilateral transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex. BMC Neurosci. 14 (1), 64 (2013).
  6. Prichard, G., Weiller, C., Fritsch, B., Reis, J. Brain Stimulation Effects of Different Electrical Brain Stimulation Protocols on Subcomponents of Motor Skill Learning. Brain Stimul. 7 (4), 532-540 (2014).
  7. Antal, A., Paulus, W., Hunter, M. A. Transcranial alternating current stimulation ( tACS ). Front Hum Neurosci. 7, 1-4 (2013).
  8. Collins, J. J., Chow, C. C., Imhoff, T. T. Stochastic resonance without tuning. Nature. 376 (6537), 236-238 (1995).
  9. Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1702-1712 (2013).
  10. Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. the Action of Brief Polarizing Currents on the Cerebral Cortex of the Rat (1) During Current Flow and (2) in the Production of Long-Lasting After-Effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
  11. Fritsch, B., Reis, J., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: Potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
  12. Galea, J. M., Celnik, P. Brain polarization enhances the formation and retention of motor memories. J Neurophysiol. 102 (1), 294-301 (2009).
  13. Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but Not Sleep-Dependent Consolidation of tDCS-Enhanced Visuomotor Skills. Cereb Cortex. (1), 1-9 (2013).
  14. Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front Hum Neurosci. 7 (8), 435 (2013).
  15. Sehm, B., Kipping, J., Schäfer, A., Villringer, A., Ragert, P. A Comparison between Uni- and Bilateral tDCS Effects on Functional Connectivity of the Human Motor Cortex. Front Hum Neurosci Neurosci. 7 (4), 183 (2013).
  16. Moliadze, V., Antal, A., Paulus, W. Electrode-distance dependent after-effects of transcranial direct and random noise stimulation with extracephalic reference electrodes. Clin Neurophysiol. 121 (12), 2165-2171 (2010).
  17. Bikson, M., Rahman, a., Datta, a. Computational Models of Transcranial Direct Current Stimulation. Clin EEG Neurosci. 43 (3), 176-183 (2012).
  18. Opitz, A., Paulus, W., Will, A., Thielscher, A. Determinants of the electric field during transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 109, 140-150 (2015).
  19. Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
  20. Reis, J., Schambra, H. M., et al. Noninvasive cortical stimulation enhances motor skill acquisition over multiple days through an effect on consolidation. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (5), 1590-1595 (2009).
  21. Batsikadze, G., Moliadze, V., Paulus, W., Kuo, M. -. F., Nitsche, M. a Partially non-linear stimulation intensity-dependent effects of direct current stimulation on motor cortex excitability in humans. J Physiol. 591 (7), 1987-2000 (2013).
  22. Wiethoff, S., Hamada, M., Rothwell, J. C. Variability in response to transcranial direct current stimulation of the motor cortex. Brain Stimul. 7 (3), 468-475 (2014).
  23. Mordillo-Mateos, L., Turpin-Fenoll, L., et al. Effects of simultaneous bilateral tDCS of the human motor cortex. Brain Stimul. 5 (3), 214-222 (2012).
  24. Tazoe, T., Endoh, T., Kitamura, T., Ogata, T. Polarity Specific Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Interhemispheric Inhibition. PLoS One. 9 (12), e114244 (2014).
  25. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 112, 720 (2000).
  26. Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
  27. Brasil-Neto, J. P., Cohen, L. G., Panizza, M., Nilsson, J., Roth, B. J., Hallett, M. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9 (1), 132-136 (1992).
  28. Mills, K., Boniface, S., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85 (1), 17-21 (1992).
  29. Rothwell, J., Hallett, M., Berardelli, A., Eisen, A., Rossini, P., Paulus, W. Magnetic stimulation motor evoked potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 52, 97-103 (1999).
  30. Ueno, S., Tashiro, T., Harada, K. Localized stimulation of neural tissues in the brain by means of a paired configuration of time-varying magnetic fields. J Appl Phys. 64 (10), 5862-5864 (1988).
  31. Fleming, M. K., Sorinola, I. O., Newham, D. J., Roberts-Lewis, S. F., Bergmann, J. H. M. The effect of coil type and navigation on the reliability of transcranial magnetic stimulation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 20 (5), 617-625 (2012).
  32. Brunoni, A. R., Amadera, J., Berbel, B., Volz, M. S., Rizzerio, B. G., Fregni, F. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int J Neuropsychopharmacol. 14 (8), 1133-1145 (2011).
  33. Palm, U., Reisinger, E., et al. Brain Stimulation Evaluation of Sham Transcranial Direct Current Stimulation for Randomized, Placebo-Controlled Clinical Trials. Brain Stimul. 6 (4), 690-695 (2013).
  34. Sehm, B., Schäfer, A., et al. Dynamic modulation of intrinsic functional connectivity by transcranial direct current stimulation. J Neurophysiol. 108 (12), 3253-3263 (2012).
  35. Nitsche, M. A., Schauenburg, A., et al. Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. J Cogn Neurosci. 15 (4), 619-626 (2003).
  36. Antal, A., Begemeier, S., Nitsche, M. A., Paulus, W. Prior state of cortical activity influences subsequent practicing of a visuomotor coordination task. Neuropsychologia. 46 (13), 3157-3161 (2008).
  37. Kang, E. K., Paik, N. J. Effect of a tDCS electrode montage on implicit motor sequence learning in healthy subjects. Exp Transl Stroke Med. 3 (1), 4 (2011).
  38. Kantak, S. S., Mummidisetty, C. K., Stinear, J. W. Primary motor and premotor cortex in implicit sequence learning – Evidence for competition between implicit and explicit human motor memory systems. Eur J Neurosci. 36 (5), 2710-2715 (2012).
  39. Nissen, M. J., Bullemer, P. Attentional requirements of learning: Evidence from performance measures. Cogn Psychol. 19 (1), 1-32 (1987).
  40. Stagg, C. J., Jayaram, G., Pastor, D., Kincses, Z. T., Matthews, P. M., Johansen-berg, H. Polarity and timing-dependent effects of transcranial direct current stimulation in explicit motor learning. Neuropsychologia. 49 (5), 800-804 (2011).
  41. Poreisz, C., Boros, K., Antal, A., Paulus, W. Safety aspects of transcranial direct current stimulation concerning healthy subjects and patients. Brain Res Bull. 72 (4-6), 208-214 (2007).
  42. Gandiga, P. C., Hummel, F. C., Cohen, L. G. Transcranial DC stimulation (tDCS): a tool for double-blind sham-controlled clinical studies in brain stimulation. Clin Neurophysiol. 117 (4), 845-850 (2006).
  43. Baudewig, J., Nitsche, M. A., Paulus, W., Frahm, J. Regional modulation of BOLD MRI responses to human sensorimotor activation by transcranial direct current stimulation. Magn Reson Med. 45 (2), 196-201 (2001).
  44. Venkatakrishnan, A., Sandrini, M. Combining transcranial direct current stimulation and neuroimaging: novel insights in understanding neuroplasticity. J Neurophysiol. 107 (1), 1-4 (2012).
  45. Neuling, T., Wagner, S., Wolters, C. H., Zaehle, T., Herrmann, C. S. Finite-element model predicts current density distribution for clinical applications of tDCS and tACS. Frontiers in Psychiatry. 3, 1-10 (2012).
  46. Bikson, M., Rahman, A. Origins of specificity during tDCS anatomical, activity-selective, and input-bias mechanisms. Front Hum Neurosci. 7, 1-5 (2013).
  47. Truong, D. Q., Hüber, M., et al. Brain Stimulation Clinician Accessible Tools for GUI Computational Models of Transcranial Electrical Stimulation BONSAI and SPHERES. Brain Stimul. 7 (4), 521-524 (2014).
  48. Caparelli-Daquer, E. M., Zimmermann, T. J., et al. A Pilot Study on Effects of 4×1 High-Definition tDCS on Motor Cortex Excitability. Proc Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc EMBS. , 735-738 (2012).
  49. Kuo, H. I., Bikson, M., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).

Play Video

Cite This Article
Curado, M., Fritsch, B., Reis, J. Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function. J. Vis. Exp. (108), e53367, doi:10.3791/53367 (2016).

View Video