Effecten van Transcraniële wisselstroom stimulatie op de primaire motorische Cortex door Online-gecombineerde aanpak met Transcraniële magnetische stimulatie
Summary
Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC’s) kunnen de modulering van de corticale prikkelbaarheid in een frequentie-specifieke mode. Hier laten we een unieke aanpak die online TAC’s met één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) combineert om corticale prikkelbaarheid “probe” door middel van Motor Evoked Potentials.
Abstract
Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC’s) is een neuromodulatory techniek kunnen handelen via sinusvormige elektrische golfvormen in een specifieke frequentie en op zijn beurt moduleren lopende corticale oscillerende activiteit. Deze neurotool kan de oprichting van een causaal verband tussen endogene oscillerende activiteit en gedrag. De meeste van de TAC’s studies gebleken online effecten van de TAC’s. Nochtans, is weinig bekend over de mechanismen van de actie van deze techniek vanwege de AC-geïnduceerde artefacten op elektro-encefalografie (EEG) signalen. Hier laten we een unieke benadering van online fysiologische frequentie-specifieke effecten van de TAC’s voor de primaire motorische cortex (M1) onderzoeken met behulp van één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) sonde corticale prikkelbaarheid wijzigingen. In onze opstelling, wordt de TMS spoel geplaatst over de TAC’s elektrode terwijl Motor Evoked Potentials (Europarlementariërs) worden verzameld om te testen van de gevolgen van de lopende M1-TAC’s. Deze aanpak is tot nu toe voornamelijk gebruikt om te studeren van de visuele en motorische systemen. Echter, de huidige TAC’s-TMS setup kan de weg vrijmaken voor toekomstige onderzoeken van cognitieve functies. Wij bieden daarom een stapsgewijze handleiding en video richtsnoeren voor de procedure.
Introduction
Elektrische stimulatie transcranial (tES) is een neuromodulatory techniek die het mogelijk maakt van de wijziging van neuronale Staten door middel van verschillende huidige golfvormen1. Onder verschillende soorten tES, Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC’s) in staat stelt de levering van sinusvormige externe oscillerende potentieel in een specifieke frequentiebereik en de modulatie van fysiologische, neurale activiteit onderliggende perceptuele, motorische en cognitieve processen2. Met behulp van TAC’s, is het mogelijk om te onderzoeken op mogelijke oorzakelijke verbanden tussen endogene oscillerende activiteit en hersenen processen.
In vivo, is gebleken dat bij verschillende drijvende frequenties, suggereren dat neuronale afvuren entrained kan worden door de elektrisch toegepaste velden3stekelige neurale activiteit wordt gesynchroniseerd. In diermodellen entrains zwakke sinusvormige TAC de ontladen frequentie van de wijdverbreide corticale neuronale zwembad4. Bij de mens kan TAC’s gecombineerd met online elektro-encefalografie (EEG) de inductie van de zogenaamde “Entrainment” effect op de endogene oscillerende activiteit door interactie met hersenen oscillaties in een frequentie-specifieke wijze5. TAC’s combineren met neuroimaging methoden voor een beter begrip van de online mechanismen is echter nog steeds twijfelachtig vanwege AC-geïnduceerde artefacten6. Daarnaast is het niet mogelijk om direct opnemen van het EEG signaal over de gestimuleerde doelgebied zonder gebruik te maken van een ring-achtige elektrode die een twijfelachtige oplossing7 is. Dus, is er een gebrek aan systematische studies over dit onderwerp.
Tot nu toe is er geen duidelijk bewijs over de blijvende gevolgen van de TAC’s na stopzetting van de stimulatie. Slechts een paar studies hebben aangetoond zwak en onduidelijk nawerkingen van TAC’s op het locomotorisch stelsel8. Bovendien is de EEG bewijs nog niet duidelijk over de nawerkingen van TAC’s9. Aan de andere kant, de meeste TAC’s studies toonden prominente online effecten10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, die moeilijk te meten op een fysiologische niveau omwille van technische beperkingen. Dus, het hoofddoel van onze methode is bedoeld als een alternatieve benadering om te testen online en frequentie-afhankelijke effecten van TAC’s op de motorschors (M1) door het leveren van één puls Transcraniële magnetische stimulatie (TMS). TMS kan onderzoekers naar de fysiologische toestand van de mens motorische cortex19“probe”. Bovendien, door het opnemen van Motor Evoked Potentials (MEP) op de certificaathouder contralaterale hand, we kunnen onderzoeken de gevolgen van de lopende TAC’s11. Deze aanpak laat ons nauwkeurig monitor wijzigingen in corticospinal prikkelbaarheid door het meten van de MEP amplitude tijdens online elektrische stimulatie op verschillende frequenties in een artefact-vrije mode geleverd. Daarnaast kan deze benadering ook online effecten van elke andere golfvorm van tES testen.
Om aan te tonen van de effecten van de gecombineerde TAC’s-TMS, zullen we laten zien het protocol door het toepassen van 20 Hz AC stimulatie over de primaire motorische cortex (M1) terwijl online neuronavigated één puls TMS wordt geleverd afgewisseld door willekeurige tussenpozen van 3 tot en met 5 s om te testen M1 corticale prikkelbaarheid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze aanpak vormt een unieke gelegenheid om direct online effecten van de TAC’s voor de primaire motorische cortex testen door het meten van corticospinal output door EP-leden opnemen. Echter, de plaatsing van de spoel TMS over de TAC’s elektrode vertegenwoordigt een kritieke stap die nauwkeurig moet worden uitgevoerd. Daarom raden we ten eerste onderzoekers vinden een doelpunt door één puls TMS, vervolgens markeren op de hoofdhuid en pas daarna, plaats de elektrode van de TAC’s over de hotspot. Bovendien ondersteunt d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door Russische Science Foundation verlenen (contractnummer: 17-11-01273). Speciale dank aan Andrey Afanasov en collega’s van multifunctionele innovatiecentrum voor televisie Technics (National Research University, hogere School of Economics, Moskou, Russische Federatie) voor video-opname en videobewerking.
Materials
| 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 |
References
- Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clin. Neurophysiol. 114 (4), 589-595 (2003).
- Herrmann, C. S., Rach, S., Neuling, T., Struber, D. Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum. Neurosci. 7, 279 (2013).
- Frohlich, F., McCormick, D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron. 67 (1), 129-143 (2010).
- Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. J. Neurosci. 30 (34), 11476-11485 (2010).
- Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr. Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
- Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. Neuroimage. 140, 4-19 (2016).
- Feher, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527 (2016).
- Antal, A., et al. Comparatively weak after-effects of transcranial alternating current stimulation (tACS) on cortical excitability in humans. Brain Stimul. 1 (2), 97-105 (2008).
- Struber, D., Rach, S., Neuling, T., Herrmann, C. S. On the possible role of stimulation duration for after-effects of transcranial alternating current stimulation. Front Cell Neurosci. 9, 311 (2015).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. Frequency-dependent tuning of the human motor system induced by transcranial oscillatory potentials. J. Neurosci. 31 (34), 12165-12170 (2011).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, (2011).
- Feurra, M., et al. State-dependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J. Neurosci. 33 (44), 17483-17489 (2013).
- Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., Rossi, S. Frequency-specific insight into short-term memory capacity. J. Neurophysiol. 116 (1), 153-158 (2016).
- Kanai, R., Paulus, W., Walsh, V. Transcranial alternating current stimulation (tACS) modulates cortical excitability as assessed by TMS-induced phosphene thresholds. Clin. Neurophysiol. 121 (9), 1551-1554 (2010).
- Polania, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M., Ruff, C. C. The precision of value-based choices depends causally on fronto-parietal phase coupling. Nat. Commun. 6, 8090 (2015).
- Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr. Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
- Santarnecchi, E., et al. Individual differences and specificity of prefrontal gamma frequency-tACS on fluid intelligence capabilities. Cortex. 75, 33-43 (2016).
- Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nat. Neurosci. 16 (7), 838-844 (2013).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum. Neurosci. 9, 54 (2015).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin.Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Guerra, A., et al. Phase Dependency of the Human Primary Motor Cortex and Cholinergic Inhibition Cancelation During Beta tACS. Cereb. Cortex. 26 (10), 3977-3990 (2016).
- Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clin. Neurophysiol. 126 (11), 2181-2188 (2015).
- Feurra, M., Galli, G., Rossi, S. Transcranial alternating current stimulation affects decision making. Front Syst.Neurosci. 6, 39 (2012).
- Marshall, L., Helgadottir, H., Molle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, (2012).
- Goldsworthy, M. R., Vallence, A. M., Yang, R., Pitcher, J. B., Ridding, M. C. Combined transcranial alternating current stimulation and continuous theta burst stimulation: a novel approach for neuroplasticity induction. Eur. J. Neurosci. 43 (4), 572-579 (2016).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Exp. Brain Res. 233 (3), 679-689 (2015).
