Virkningerne af transkranial vekselstrøm Stimulation på den primære Motor Cortex af Online kombineret tilgang med transkranial magnetisk Stimulation
Summary
Transkranial vekselstrøm Stimulation (TAC) giver mulighed for modulering af kortikal ophidselse i en frekvens-specifikke mode. Her viser vi en unik tilgang, som kombinerer online TAC’erne med enkelt puls transkranial magnetisk Stimulation (TMS) for at “sonde” kortikal ophidselse ved hjælp af Motor Evoked Potentials.
Abstract
Transkranial vekselstrøm Stimulation (TAC) er en neuromodulatory teknik at handle gennem sinusformet elektriske bølgeformer i en bestemt frekvens og igen modulere igangværende kortikale oscillerende aktivitet. Denne neurotool giver mulighed for etablering af en årsagssammenhæng mellem endogene oscillerende aktivitet og adfærd. De fleste af TAC’er undersøgelserne har vist online effekter af TAC’er. Dog er lidt kendt om de underliggende handling mekanismer af denne teknik på grund af de AC-induceret artefakter på electroencefalografi (EEG) signaler. Her viser vi en unik tilgang til at undersøge online fysiologiske frekvens-specifikke effekter af TAC’er for den primære motor cortex (M1) ved hjælp af fælles puls transkranial magnetisk Stimulation (TMS) for at sonde kortikal ophidselse ændringer. I vores setup, er TMS spolen placeret over TAC elektrode mens Motor Evoked Potentials (MEP’erne) indsamles for at afprøve virkningerne af de igangværende M1-TAC’er. Denne tilgang har hidtil primært brugt at studere de visuelle og motoriske systemer. Men de nuværende TAC-TMS opsætning kan bane vejen for fremtidige undersøgelser af kognitive funktioner. Derfor, vi giver en trin for trin manual og video retningslinjer for proceduren.
Introduction
Transkranial elektrisk Stimulation (tES) er en neuromodulatory teknik, som giver mulighed for ændring af neuronal stater gennem forskellige aktuelle bølgeformer1. Blandt forskellige typer af tES muliggør transkranial vekselstrøm Stimulation (TAC) levering af sinusformet eksterne oscillerende potentialer i en bestemt frekvensområde og graduering af fysiologiske neurale aktivitet underliggende perceptuelle, motoriske og kognitive processer2. Ved hjælp af TAC, er det muligt at undersøge mulige årsagssammenhænge mellem endogene oscillerende aktivitet og hjerne processer.
In vivo, har det vist sig at spiking neurale aktivitet synkroniseres ved forskellige drivende frekvenser, hvilket tyder på at neuronal fyring kan være medrives af elektrisk anvendte felter3. I dyremodeller medriver svag sinusformet TAC udledes hyppigheden af udbredt kortikale neuronal swimmingpool4. Hos mennesker, TAC kombineret med online electroencefalografi (EEG) giver mulighed for induktion af de såkaldte “Medrivning” virkning på endogene oscillerende aktivitet ved at interagere med hjerne svingninger i en frekvens-specifik måde5. Men kombinerer TAC’erne med neuroimaging metoder for en bedre forståelse af de mekanismer, der er online er stadig tvivlsom på grund af AC-induceret artefakter6. Derudover er det ikke muligt at optage direkte EEG-signalet over stimuleret målområdet uden at bruge en ring-lignende elektrode, som er en tvivlsom løsning7. Således mangler systematiske undersøgelser om dette emne.
Indtil videre er der ingen klare beviser om de varige virkninger af TAC’er efter stimulation ophør. Kun få studier har vist svage og uklare eftervirkningerne af TAC på det motoriske system8. Derudover er EEG beviser stadig ikke klart om eftervirkningerne af TAC’er9. På den anden side de fleste TAC’er undersøgelser viste fremtrædende online virkninger10,11,12,13,14,15,16 , 17 , 18, som er vanskelige at måle på en fysiologisk niveau på grund af tekniske begrænsninger. Det overordnede mål med vores metode er således, at give en alternativ tilgang for at teste online og frekvens-afhængige effekter af TAC på den motoriske cortex (M1) ved at levere enkelt puls transkranial magnetisk Stimulation (TMS). TMS gør det muligt for forskere at “sonde” den fysiologiske tilstand af menneskers motoriske cortex19. Derudover ved at optage Motor fremkaldte potentialer (MEP) på fagets kontralaterale side, kan vi undersøge virkningerne af de igangværende TAC’er11. Denne fremgangsmåde lader os nøjagtigt overvåge ændringer i corticospinal ophidselse ved at måle MEP amplitude under online elektrisk stimulation leveret ved forskellige frekvenser i en artefakt-fri mode. Derudover kan denne tilgang også teste online virkningerne af eventuelle andre bølgeform af tES.
For at demonstrere effekterne kombineret TAC-TMS, vil vi vise protokollen ved at anvende 20 Hz AC stimulation over den primære motor cortex (M1) mens online neuronavigated enkelt puls TMS er leveret afbrudt af tilfældige intervaller fra 3 til 5 s for at teste M1 kortikal ophidselse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne tilgang repræsenterer en enestående mulighed for at teste direkte online virkningerne af TAC’er for den primære motor cortex ved at måle corticospinal output gennem MEP’erne optagelse. Men placeringen af TMS spolen over TAC elektrode repræsenterer et afgørende skridt, der skal udføres præcist. Derfor vil vi først og fremmest foreslå eksperimentatorer find et målpunkt af fælles puls TMS, derefter mærke det på hovedbunden og kun efter at placere TAC’er elektrode over hotspot. Desuden understøtter tilg?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af russisk Science Foundation tilskud (kontrakt antal: 17-11-01273). En særlig tak til Andrey Afanasov og kolleger fra multifunktionelle innovationscenter for tv-Technics (National forskning University, højere School of Economics, Moskva, Rusland) for video-optagelse og redigering af video.
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 |
Referências
- 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).
