Summary

No invasiva de estimulación cerebral eléctrica Montajes para la modulación de la función motora humana

Published: February 04, 2016
doi:

Summary

estimulación eléctrica cerebral no invasiva puede modular la función y el comportamiento cortical, tanto para fines de investigación y clínicos. Este protocolo describe diferentes enfoques de estimulación cerebral para la modulación del sistema motor humano.

Abstract

No invasiva la estimulación eléctrica del cerebro (NEBS) se utiliza para modular la función cerebral y el comportamiento, tanto para fines de investigación y clínicos. En particular, se puede aplicar NEBS transcraneal ya sea como la estimulación de corriente directa (tDCS) o alternantes de estimulación de corriente (TAC). Estos tipos de estimulación ejercen tiempo-, la dosis y en el caso de tDCS efectos de polaridad específica sobre la función motora y la habilidad de aprendizaje en sujetos sanos. Últimamente, tDCS se ha utilizado para aumentar la terapia de la discapacidad motora en pacientes con trastornos de accidente cerebrovascular o de movimiento. Este artículo proporciona un protocolo paso a paso para la orientación de la corteza motora primaria con tDCS y la estimulación transcraneal de ruido aleatorio (RRT), una forma específica de los TAC utilizando una corriente eléctrica aplicada al azar dentro de un rango de frecuencia predefinida. La configuración de dos montajes diferentes de estimulación se explica. En ambos montajes el electrodo emisor (el ánodo para tDCS) se coloca en la corteza motora primaria de interés. porestimulación de la corteza motor unilateral el electrodo receptor se coloca en la frente contralateral mientras que para la estimulación bilateral corteza motora se coloca el electrodo de recepción en el lado opuesto de la corteza motora primaria. Se discuten las ventajas y desventajas de cada uno de los montajes para la modulación de la excitabilidad cortical y la función motora, incluyendo el aprendizaje, así como la seguridad, la tolerabilidad y los aspectos que causan ceguera.

Introduction

Estimulación no invasiva eléctrica del cerebro (NEBS), la administración de las corrientes eléctricas en el cerebro a través del cráneo intacto, puede modificar la función cerebral y el comportamiento 1 3. Para optimizar el potencial terapéutico de las estrategias de NEBS comprensión todavía se necesitan los mecanismos subyacentes que conducen a efectos neurofisiológicos y de comportamiento. La estandarización de las aplicaciones en diferentes laboratorios y la plena transparencia de los procedimientos de estimulación proporciona la base para la comparación de los datos que apoya la interpretación fiable de los resultados y la evaluación de los mecanismos de acción propuestos. Estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) o transcraneal alterna corriente de estimulación (TAC) se diferencian por los parámetros de la corriente eléctrica aplicada: tDCS consiste en un flujo de corriente constante unidireccional entre dos electrodos (ánodo y cátodo) 2 6 TACS mientras utiliza una corriente alterna aplicada en unafrecuencia específica 7. Estimulación transcraneal ruido aleatorio (RRT) es una forma especial de los TAC que utiliza una corriente alterna aplicada a frecuencias aleatorias (por ejemplo., 100-640 Hz), resultando en mayor o menor rapidez intensidades de estimulación y la eliminación de los efectos relacionados con polaridad-4,6,7. La polaridad es solamente de importancia si la configuración de estimulación incluye una estimulación offset, por ejemplo, el cambio de espectro de ruido al azar en torno a una intensidad de línea de base mA 1 (por lo general no se utiliza). A los efectos de este artículo, nos centraremos en el trabajo usando tDCS y efectos RRT en el sistema motor, siguiendo de cerca una publicación reciente de nuestro laboratorio 6.

Los mecanismos subyacentes de la acción de tRNS aún menos se entiende que de tDCS pero probablemente diferente de este último. En teoría, en el marco conceptual de la resonancia estocástica tRNS introduce ruido estimulación inducida a un sistema neuronal que puede proporcionar un beneficio de tratamiento de la señal mediante la alteración de THe-señal-ruido 4,8,9. TRNS puede amplificar predominantemente señales más débiles y por lo tanto podría optimizar la actividad cerebral específica de la tarea (ruido endógena 9). TDCS anódico aumenta la excitabilidad cortical indica mediante la alteración de la velocidad de la descarga neuronal espontánea o un aumento de 10 potencial evocado motor (MEP) amplitudes 2 con los efectos durar más que la duración de la estimulación de minutos a horas. Se cree que los aumentos de larga duración en la eficacia sináptica conocido como potenciación a largo plazo para contribuir al aprendizaje y la memoria. De hecho, tDCS anódico mejora la eficacia sináptica de la sinapsis corticales motoras activadas en varias ocasiones por una entrada sináptica débil 11. De acuerdo, la adquisición mejora la función motora / habilidad a menudo se revela sólo si la estimulación es co-aplicada con el entrenamiento motor 11 13, que también sugiere sináptica co-activación como requisito previo de este proceso depende de la actividad. Sin embargo, la causalidad entre el aumento de cexcitabilidad ortical (aumento de la tasa de disparos o MEP amplitud) por un lado y la mejora de la eficacia sináptica (LTP o función del comportamiento tales como el aprendizaje motor), por otro lado, no se ha demostrado.

NEBS aplicada a la corteza motora primaria (M1) ha atraído un interés creciente como método seguro y eficaz para modular la función motora humana 1. Efectos neurofisiológicos y resultado conductual pueden depender de la estrategia de estimulación (por ejemplo, polaridad tDCS o tRNS), el tamaño del electrodo y el montaje 4 6,14,15. Aparte de los factores anatómicos y fisiológicos sujetos-inherente el montaje de electrodos influye significativamente en la distribución de campo eléctrico y puede dar lugar a diferentes patrones de corriente se extienden dentro de la corteza 16 a 18. Además de la intensidad de la corriente aplicada al tamaño de los electrodos determina la densidad de corriente entregado 3. montajes de electrodo comúnen motor humana estudios de sistemas incluyen (Figura 1): 1) tDCS anódico como la estimulación M1 unilateral con el ánodo posicionado en la M1 de interés y el cátodo posicionado en la frente contralateral; La idea básica de este enfoque es la regulación positiva de la excitabilidad en la M1 de interés 6,13,19 22; 2) tDCS anódico como la estimulación bilateral M1 (también conocida como estimulación "bihemisférica" ​​o "dual") con el ánodo posicionado en la M1 de interés y el cátodo colocado en el contralateral M1 5,6,14,23,24; La idea básica de este enfoque es maximizar los beneficios de la estimulación por la regulación positiva de la excitabilidad en la M1 de interés, mientras que la regulación negativa de la excitabilidad en la M1 opuesta (es decir, la modulación de la inhibición interhemisférica entre los dos M1); 3) Para tRNS, sólo la mencionada unilateral estimulación montaje M1 ha sido investigado 4,6; con este montaje excitabilidad efectos de tRNS mejora se ha encontrado para el espectro de frecuencias de 100 a 640 Hz 4. La elección de la estrategia de estimulación cerebral y montaje de electrodos representa un paso crítico para un uso eficiente y fiable de NEBS en entornos clínicos o de investigación. A continuación se describen estos tres procedimientos NEBS en detalle como se utiliza en estudios de sistemas de motor humanos y se discuten aspectos metodológicos y conceptuales. Materiales para tDCS unilaterales o bilaterales y unilaterales tRNS son los mismos (Figura 2).

Figura 1
Figura 1. montajes de electrodos y la dirección actual de las estrategias de NEBS distintos. (A) Para anódico unilateral transcraneal estimulación de corriente directa (tDCS), el ánodo está centrada sobre la corteza motora primaria de interés y el cátodo posicionado sobre tque contralateral área supraorbital. (B) Para la estimulación de la corteza motora bilateral, ánodo y el cátodo están situados cada uno sobre una corteza motora. La posición del ánodo determina la corteza motora de interés para tDCS anódicos. (C) Para la estimulación transcraneal ruido aleatorio unilateral (RRT), un electrodo está situado sobre la corteza motor y el otro electrodo sobre la zona contralateral supra-orbital. El flujo de corriente entre los electrodos se indica mediante la flecha negro. Ánodo (+, rojo), el cátodo (-, azul), corriente alterna (+/-, verde). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

Declaración de Ética: Los estudios en humanos requerirá el consentimiento informado por escrito de los participantes antes del ingreso al estudio. Obtener la aprobación del comité de ética relevantes antes de la inscripción de participantes. Hacer estudios de seguros están en conformidad con la Declaración de Helsinki. Los resultados representativos presentados aquí (Figura 4) se basan en un estudio realizado de acuerdo con la Declaración de Helsinki en su versión modificada por la 59…

Representative Results

Para investigar los efectos de NEBS sobre el sistema motor humano, es importante tener en cuenta las medidas de resultado apropiadas. Una de las ventajas del sistema de motor es la accesibilidad de las representaciones corticales de herramientas electrofisiológicos. Motor potenciales evocados se utilizan con frecuencia como un indicador de la excitabilidad cortical motor. Después de la aplicación de 9 o más minutos de tDCS anódico a una densidad de corriente de 29 mA / cm 2,</s…

Discussion

Este protocolo describe materiales típicos y pasos de procedimiento para la modulación de la función motora de la mano y la habilidad de aprendizaje utilizando NEBS, específicamente la estimulación unilateral y bilateral M1 para tDCS anódico y tRNS unilaterales. Antes de elegir un protocolo NEBS particular para un estudio sobre el sistema motor humano, por ejemplo., En el contexto del aprendizaje motor, los aspectos metodológicos (seguridad, tolerabilidad, el cegamiento), así como los aspectos conceptua…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

MC y JR son apoyados por la Fundación Alemana de Investigación (DFG 2740 RE / 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

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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).

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