İnsan Motor Fonksiyon Modülasyon Non-İnvaziv Elektrik beyin stimülasyonu Montajları
Summary
Non-invaziv elektrik beyin stimülasyonu hem araştırma ve klinik amaçlar için kortikal fonksiyonu ve davranışı, modüle edebilir. Bu protokol, insan motor sistemi modülasyonu için farklı beyin stimülasyonu yaklaşımlarını açıklar.
Abstract
Non-invaziv elektrik beyin stimülasyonu (NEBS) hem araştırma ve klinik amaçlar için beyin fonksiyonu ve davranışı, modüle etmek için kullanılır. Özellikle, NEBS transcranially ya doğrudan akım uyarılması (TDC'ler), ya da alternatif akım stimülasyonu (TACS) halinde uygulanabilir. Bu uyarım çeşitleri, zaman uygulamayın doza ve sağlıklı bireylerde öğrenme, motor fonksiyon ve beceri TEKMER kutupluluk özel efektler durumunda. Son zamanlarda, TEKMER inme veya hareket bozukluğu olan hastalarda, motor engelli tedaviyi güçlendirmek için kullanılır olmuştur. Bu makalede, TEKMER ve transkranial rasgele gürültü stimülasyonu (Trns) ile primer motor korteks hedefleyen bir adım-adım protokolü, önceden tanımlanmış bir frekans aralığında rasgele uygulanan bir elektrik akımı kullanılarak TACS belirli bir form sağlar. İki farklı stimülasyon montajlanmasında kurulum açıklanmıştır. Her iki montages yayan elektrot (TEKMER için anot) ilgi primer motor korteksin üzerine yerleştirilir. İçinİkili motor korteks stimülasyonu için alıcı elektrot karşısında primer motor korteks üzerinde alınırken tek taraflı motor korteks stimülasyonu alan elektrot kontralateral alnına yerleştirilir. avantajları ve kortikal eksitabilite ve öğrenme dâhil motor fonksiyon modülasyonu için her montaj dezavantajları yanı sıra güvenlik, tolerabilite ve kör yönleri olarak ele alınmaktadır.
Introduction
3 – Non-invaziv elektrik beyin stimülasyonu (NEBS), bozulmamış kafatası yoluyla beyne elektrik akımları idaresi, beyin fonksiyonu ve davranışı 1 değiştirebilirsiniz. nörofizyolojik ve davranışsal etkilere yol açan altta yatan mekanizmalar hala ihtiyaç duyulmaktadır anlama NEBS stratejilerinin terapötik potansiyelini optimize etmek. farklı laboratuarlarda genelinde uygulama ve stimülasyon prosedürleri tam bir şeffaflık standardizasyonu eylem önerilen mekanizmalar sonuçları ve değerlendirilmesi güvenilir yorumunu destekleyen verilerin karşılaştırılabilir temelini oluşturur. Mevcut stimülasyon alternatif Transkraniyal akım stimülasyonu (TDC'ler), ya transkraniyal (TACS) uygulanan elektrik akımı parametrelerine göre değişir: TDC'ler iki elektrot (anot ve katot) 2 ile tek yönlü bir sabit akım akışı oluşur – 6 ise TACS uygulanan bir alternatif akım kullanan birbelirli frekans 7. Transkraniyal rasgele gürültü stimülasyonu (Trns) rasgele frekanslarda uygulanan bir alternatif akım kullanan TACS özel bir şeklidir (örneğin., 100-640 Hz) hızla değişen stimülasyon şiddetleri ile sonuçlanan ve kutupluluk ile ilgili etkileri 4,6,7 çıkarılması. Stimülasyon ayarı stimülasyon, örneğin, gürültü spektrumu rastgele (genellikle kullanılmaz) +1 mA temel yoğunluğunu etrafında değişen, ofset içeriyorsa Polarite sadece öneme sahiptir. Bu maddenin amacı için, biz yakından laboratuarımızda 6 yeni yayımı tarihinden itibaren, motorlu sistemde TEKMER ve TRNS efektleri kullanarak iş üzerinde durulacak.
TRNS etki altında yatan mekanizmaları daha az TEKMER daha anladım ama ikincisi gelen muhtemelen farklıdır. Teorik olarak, stokastik rezonans kavramsal çerçevede Trns th değiştirerek bir sinyal işleme yarar sağlayabilir bir nöronal sistem stimülasyonu kaynaklı gürültü tanıttıe sinyal-gürültü oranı 4,8,9. TRNS ağırlıklı zayıf sinyalleri yükseltmek olabilir ve böylece göreve özel beyin aktivitesini (endojen gürültü 9) optimize olabilir. Anot TEKMER saat dakika stimülasyon süresi outlasting etkileri ile kortikal eksitabilite (MEP) spontan nöronal ateşleme hızının 10 değiştirilmesi ile gösterilen veya artan motorlu uyarılmış potansiyel genlikleri 2 artar. Uzun süreli potansiasyon olarak bilinen sinaptik etkinliği uzun süreli artışlar öğrenme ve hafıza katkıda düşünülmektedir. Nitekim, anot TEKMER defalarca zayıf sinaptik giriş 11 aktive motor kortikal sinaps sinaptik etkinliğini arttırır. Ayrıca bu aktivite bağımlı sürecin bir gereği olarak sinaptik ko-aktivasyonu düşündüren, 13 – gereğince, gelişmiş motor fonksiyon / beceri edinimi genellikle uyarım, motor eğitimi 11 ile birlikte uygulandığında yalnızca ortaya çıkar. Bununla birlikte, C artış arasındaki ilişki testortical heyecanlanma bir yandan (ateş oranı veya MEP genlik artışı) ve geliştirilmiş sinaptik etkinliği diğer taraftan (LTP veya motor öğrenme gibi davranışsal fonksiyonu) ortaya konmamıştır.
NEBS insan motor işlevi 1 modüle güvenli ve etkili bir yöntem olarak artan ilgi gördü primer motor korteks (M1) uygulanır. 6,14,15 – Nörofizyolojik etkiler ve davranışsal sonuç stimülasyon stratejisi (örneğin, TEKMER polarite veya TRNS), elektrot boyutu ve montaj 4 bağlı olabilir. Kenara konu doğal anatomik ve fizyolojik faktörler elektrot montaj önemli ölçüde elektrik alan dağılımını etkiler ve korteks 16 içinde yayılan akım farklı desen neden olabilir – 18. Elektrot uygulanan akım büyüklüğü yoğunluğu ek olarak 3 iletilen akım yoğunluğunu belirler. Müşterek elektrotu montajlarıİnsan motorda sistem çalışmaları (Şekil 1) şunlardır: 1) anot TEKMER ilgi M1 ve kontralateral alnına yerleştirilmiş katot üzerinde konumlandırılmış anot ile tek taraflı M1 stimülasyon olarak; Bu yaklaşımın temel fikri ilgi 6,13,19 arasında M1 uyarılabilmenin upregülasyonu olduğunu – 22; 2) anot TDC'ler ikili M1 uyarılması (aynı zamanda ilgi M1 ve karşı M1 5,6,14,23,24 yerleştirilmiş katot üzerinde konumlandırılmış anotlu) "bihemispheric" ya da "çift" uyarılması olarak ifade gibidir; Bu yaklaşımın temel fikri karşısında M1 heyecanlanma aşağı regüle ederken ilgi M1 uyarılabilmenin upregülasyonu tarafından uyarılması faydalarını maksimize (yani, iki M1S arasındaki interhemisferik inhibisyon modülasyon); 3) Trns için, sadece yukarıda bahsedilen tek taraflı M1 stimülasyon montaj Investig olmuşturated 4,6; TRNS etkisini arttırmak için bu montaj uyarılma 100-640 Hz 4 frekans spektrumunda bulunamadı oylandı. beyin stimülasyonu stratejisi ve elektrot montaj seçimi klinik veya araştırma ayarlarında NEBS etkili ve güvenilir bir kullanım için kritik bir adımdır. insan motor sistemi çalışmalarında kullanılan yöntem ve kavramsal yönlerinin tartışıldığı gibi burada bu üç NEBS işlemleri ayrıntılı olarak tarif edilmiştir. Tek taraflı ya da çift taraflı TEKMER ve tek taraflı TRNS malzemeleri aynı (Şekil 2).
Şekil 1. Elektrot montages ve farklı NEBS stratejileri akım yönü. Tek taraflı anot transkranial doğru akım stimülasyonu (TEKMER) için (A), anot t üzerinde konumlandırılmış ilgi primer motor korteks ve katot üzerinde ortalanırO-üstü yörünge alanı Kontrlateral. İkili motor korteks stimülasyonu, anot ve katot için (B) bir motor korteks üzerinde her yer almaktadır. anot pozisyonu anot TEKMER ilgi motor korteksin belirler. Tek taraflı transkranial rasgele gürültü uyarılması için (C) (Trns), bir elektrot motor korteks ve kontralateral üstü yörünge alana diğer elektrot üzerine yer almaktadır. elektrotlar arasında akım siyah okla gösterilmiştir. Anot (+, kırmızı), katot – Alternatif (mavi), (+/-, yeşil) geçerli. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol NEBS, anot TEKMER için özel tek taraflı ve çift taraflı M1 stimülasyon ve tek taraflı TRNS kullanarak öğrenme tipik malzeme ve el motor fonksiyon modülasyonu ve beceri için prosedürel adımlar açıklanır. (Belirli bir beyin bölgesi üzerinde montaj veya mevcut tip spesifik etkileri) (, güvenlik, tolere kör) motor öğrenme, metodolojik açıdan bağlamında, örneğin., Bir insan motor sistemi çalışması için özel bir NEBS protokolü seçerek yanı sıra kavramsal yönü daha ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MC ve JR Alman Araştırma Vakfı (DFG RE 2740 / 3-1) tarafından desteklenmektedir.
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
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr Opin Neurol. 24 (6), 590-596 (2011).
- 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).
- Nitsche, M. A., Cohen, L. G., et al. Transcranial direct current stimulation: State of the art. Brain Stimul. 1 (3), 206-223 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Antal, A., Paulus, W., Hunter, M. A. Transcranial alternating current stimulation ( tACS ). Front Hum Neurosci. 7, 1-4 (2013).
- Collins, J. J., Chow, C. C., Imhoff, T. T. Stochastic resonance without tuning. Nature. 376 (6537), 236-238 (1995).
- Miniussi, C., Harris, J. A., Ruzzoli, M. Modelling non-invasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1702-1712 (2013).
- 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).
- 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).
- Galea, J. M., Celnik, P. Brain polarization enhances the formation and retention of motor memories. J Neurophysiol. 102 (1), 294-301 (2009).
- 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).
- Saiote, C., Turi, Z., Paulus, W., Antal, A. Combining functional magnetic resonance imaging with transcranial electrical stimulation. Front Hum Neurosci. 7 (8), 435 (2013).
- 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).
- 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).
- Bikson, M., Rahman, a., Datta, a. Computational Models of Transcranial Direct Current Stimulation. Clin EEG Neurosci. 43 (3), 176-183 (2012).
- Opitz, A., Paulus, W., Will, A., Thielscher, A. Determinants of the electric field during transcranial direct current stimulation. Neuroimage. 109, 140-150 (2015).
- Nitsche, M., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 112, 720 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sehm, B., Schäfer, A., et al. Dynamic modulation of intrinsic functional connectivity by transcranial direct current stimulation. J Neurophysiol. 108 (12), 3253-3263 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nissen, M. J., Bullemer, P. Attentional requirements of learning: Evidence from performance measures. Cogn Psychol. 19 (1), 1-32 (1987).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Venkatakrishnan, A., Sandrini, M. Combining transcranial direct current stimulation and neuroimaging: novel insights in understanding neuroplasticity. J Neurophysiol. 107 (1), 1-4 (2012).
- 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).
- Bikson, M., Rahman, A. Origins of specificity during tDCS anatomical, activity-selective, and input-bias mechanisms. Front Hum Neurosci. 7, 1-5 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
