Использование магнитно-резонансной спектроскопии как инструмент для измерения Би-полушария транскраниальной электрической стимуляции эффектов на первичной моторной коры обмена веществ

Идея применения электричества для человеческого мозга модулировать свою деятельность изучалась с древних времен. На самом деле, сочинения из еще в ^11-м веке были найдены, что описывают использование торпедного электрических рыб в лечении эпилептических припадков ^1. Тем не менее, это не до недавнего времени, что неинвазивная стимуляция мозга получила широкий интерес в научном сообществе, как это было показано для производства модулирующие влияния на когнитивные функции и двигательной реакции ^2. В то время как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) была тщательно изучена с начала 1980-х годов ^3, последнее время интерес к транскраниальной постоянного тока стимуляции (ТОК) увеличилась, как это в настоящее время считается жизнеспособным вариантом лечения для широкого круга невропатологий, таких как инсульт ^4, алкогольная зависимость ^5, и хроническая боль ^6. ТОК имеет много преимуществ по сравнению с методами нейростимуляции как TMS, например,так как он относительно недорог, безболезненно, хорошо переносится пациентами, и портативный, что делает возможным вводить в постели ^7. На самом деле, только небольшой процент пациентов наблюдается умеренный покалывание во время стимуляции ^8. Тем не менее, это ощущение обычно исчезает через несколько секунд ^9. Следовательно, ТОК позволяет надежные двойных слепых фиктивные-контролируемые исследования, так как большинство участников не могут отличить фальшивую стимуляцию от реального стимулирования ^9,10.

ТОК включает индукция постоянного малоамперные электрического тока (1-2 мА) применяется в кору через поверхностные электроды, расположенные на волосистой части головы субъекта. Электроды обычно помещают в физиологический раствор пропитанной губки или непосредственно на кожу головы с ЭЭГ-типа пасты. Чтобы провести исследование ТОК, четыре основные параметры должны контролироваться экспериментатором: 1) продолжительность стимуляции; 2) интенсивность стимуляции; 3) размер электрода; и 4) электрод монтаж. В стандартных протоколов, "активный" электрод расположен на области, представляющей интерес в то время как эталонный электрод обычно размещают над надглазничного области. Ток течет от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду. Эффект ТОК на первичный моторной коры (M1) определяется полярностью стимуляции где анодной стимуляции усиливает возбудимость населением нейронов и катодная стимуляция уменьшает его ^11. В отличие от TMS, наведенный ток недостаточен для получения потенциалы действия в корковых нейронов. Изменения в кортикальной возбудимости, как полагают, из-за модуляции мембраны нейронов порога, ведущей либо к гиперполяризации мембранных потенциалов или облегчении деполяризации нейронов в зависимости от направления протекания тока ^8,11. Продолжительность перемен возбудимость может сохраняться в течение до 90 мин после смещениястимулирования, в зависимости от продолжительности стимуляции ^11,12.

ТОК и двигателя реабилитации

M1 был широко использован в качестве мишени стимуляции, так как изменения возбудимости вызываемые ТОК может быть количественно через моторных потенциалов (депутаты Европарламента), вызванные один импульс TMS ^3. Ранние исследования, показывающие возможность измерения полярности конкретных изменений возбудимости, вызванных ТОК использовали М1 в качестве мишени стимуляции ^11,12. С тех пор, М1 остается одним из главных мишеней ТОК в исследованиях с участием обеих клинических групп населения и здоровых людей из-за его важности в моторной функции, формирование памяти и консолидации двигательных навыков ^12.

Мозг использует сложного взаимодействия моторных областях обоих полушарий, чтобы выполнить движение ^14. Когда одна из областей поврежден, после перенесенного инсульта, например, меж-полушария взаимодействия изменяются. Исследования пластичности мозга показали, что двигатель участки мозга адаптироваться к этой модификации по-разному ^15. Во-первых, неповрежденные, окружающие регионы поврежденной области может стать overactived, что приводит к торможению поврежденной области – процесс, называемый внутри полушария торможение. Во-вторых, гомологичной областью поврежденной области может стать overactivated и оказывают на торможение поврежденной полусферы – процесса, называемого межполушарной ингибирование. Пострадавших M1, следовательно, может быть в два раза наказан: сначала поражения и второй путем ингибирования поступающих как из незатронутой M1 и окружающей области, пострадавших М1 ^16. Недавнее исследование показало, что повышенная возбудимость в незатронутой полушария связана с медленными реабилитации ^17, который был описан как неадекватные межполушарной конкурса ^18.

Понимание пластичность, произошедшим послеинсульт может привести к разработке протоколов нейромодуляции, которые могут восстановить межполушарные взаимодействий ^19. Три основных ТОК процедуры были предложены у пациентов с дефицитом моторных следующих инсульта ^20,21. Первая обработка призвана активизировать травмированного двигательной области односторонним анодной стимуляции (а-ТОК). В этом случае, стимуляция направлена ​​на прямое увеличение активности в околоочаговые областях, которые, как считается, необходимы для восстановления. На самом деле, исследования показали, улучшение паретичной верхней или нижней конечности после этого лечения ^22-26. Вторая обработка была разработана с целью уменьшения чрезмерной активации contralesional полушарии с применением односторонних катодная ТОК (гр-ТОК) на неповрежденную M1. Здесь, стимуляция направлена ​​на косвенно увеличивая активность в околоочаговые областях через interhemispehric взаимодействий. Результаты этих исследований показали улучшение двигательной functiна после с-ТОК ^4,27-29. Наконец, третья обработка направлена ​​на объединение возбуждающие эффекты-ТОК по травмированной M1 с ингибирующих эффектов с-ТОК над непораженной М1, используя двусторонние ТОК. Результаты показали улучшения в моторной функции после двусторонних ТОК ^27,30,31. Более того, одно исследование продемонстрировало заметное улучшение следующие двусторонние ТОК сравнению с обеих односторонних методов ^32.

Физиологические механизмы ТОК

Несмотря на все более широкое использование ТОК в лечении инсульта, физиологический механизм, лежащий в основе его последствий остается неизвестной ^33. Лучшее понимание физиологических эффектов может помочь в разработке более эффективных вариантов лечения и может привести к стандартизованных протоколов. Как упоминалось ранее, эффекты ТОК может длиться в течение до 90 мин после того, как смещение стимуляции ^11,12. Поэтому гиперполяризация / деполяризацияпроцессы не могут полностью объяснить долгосрочными последствиями ^33,34. Различные гипотезы были предложены относительно физиологический механизм, лежащий в основе ТОК после воздействия на М1 в том числе изменения в высвобождения нейромедиатора, синтеза белка, функции ионных каналов, или активностью рецептора ^34,35. Исследования в этом вопросе были впервые приобретены через фармакологических исследований, показывающих, подавление после воздействия анодной и катодной стимуляции на М1 возбудимости со стороны глутаматергическая N-метил-D-аспартата (NMDA) антагониста рецептора декстрометорфан ^36,37, тогда как противоположный эффект был показан с использованием агониста рецептора NMDA ^38. Рецепторы NMDA, как считается, участвует в процессах обучения и памяти функции через долгосрочной потенцирования (LTP) и долгосрочной депрессии (ООО), как при посредничестве глутаматэргическую и ГАМКергических нейронов ^39,40. Исследования на животных в соответствии с этой гипотезой, поскольку они показали, что-ТОК вызывает LTP ^13.

<р класса = "jove_content"> Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в понимании механизмов действия, лежащий в основе ТОК эффекты, фармакологические протоколы представляют важные ограничения. В самом деле, действие препарата не может быть, как пространственно конкретны ТОК, особенно в контексте человеческого экспериментирования, и механизм действия их последствий, в основном из-за постсинаптическими ^34. Таким образом, существует необходимость исследовать более непосредственно эффекты ТОК на человеческий мозг. Протонного магнитного резонанса ⁽¹ H-MRS) является хорошим кандидатом, поскольку это позволяет неинвазивным обнаружения естественных концентраций нейромедиаторов в определенной области интереса. Этот метод основан на том принципе, что каждый протон-содержащих нейрохимические в головном мозге имеет специфическую молекулярную структуру и, следовательно, производит химически определенные резонансы, которые могут быть обнаружены с помощью ^{1 Н-41} MRS. Приобретенный сигнал от объема мозга из впроцентно- генерируется из всех протонов, которые резонируют между 1 и 5 частей на миллион. Полученные нейрохимических веществ представлены на спектре и наносили на график как функцию от их химического сдвига с некоторыми четко различимых пиков, но там, где многие резонансы от различных нейрохимических веществ перекрываются. Интенсивность сигнала каждого пика пропорциональна концентрации neurometabolite ^41. Сумма нейрохимических, которые могут быть количественно зависит от силы магнитного поля ^42,43. Тем не менее, низкие концентрации метаболитов, которые являются скрытыми очень сильных резонансов, трудно количественно по более низкой напряженности поля, такие как 3 Т. Один из способов получения информации о таких перекрывающихся сигналов для удаления сильных резонансов через спектрального редактирования. Одним из таких методов является последовательностью MEGA-ПРЕСС, которая позволяет обнаруживать γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) сигналов ^44,45.

Только несколько исследований изучали влияние ТОК наметаболизм мозга с помощью ¹ H-MRS в моторных ^34,46 и немоторных регионов ^47. Stagg и сотрудники ³⁴ оценивали эффекты а-ТОК, с-ТОК, и мнимого стимуляции на М1 метаболизма. Они обнаружили значительное снижение концентрации ГАМК следующую а-ТОК, и значительное снижение глутамата + глютамин (GLX) и ГАМК следующий с-ТОК. В другом исследовании, было сообщено, что количество изменений в концентрации ГАМК индуцированные-ТОК над M1 был связан с двигательной обучения ^46.

Эти исследования подчеркивают потенциал объединения ¹ H-MRS с ТОК увеличить наше понимание физиологического механизма, лежащего в основе эффекта ТОК на двигательной функции. Кроме того, использование клинических протоколов, таких как а-ТОК и С-ТОК над М1 полезно, потому что их поведенческие эффекты хорошо изучены и могут быть напрямую связаны с физиологическими результатов. Таким образом, это стандартный протокол для объединения двустороннего TDCS и ¹ H-MRS демонстрируется в здоровых участников с помощью системы 3 Т МРТ. Bihemispheric ТОК представлена ​​противопоставлять данные с предыдущего исследования MRS где одностороннее катодная или односторонние анодной ТОК были применены более моторной коры ^34. Данный протокол описывается специально для стимуляции стимулятора NeuroConn в Siemens 3 Т сканера, выполняющего MEGA-Пресс ¹ H-MRS.