عبر الجمجمة بالتناوب التحفيز الحالي (تاكس) هو أداة واعدة لتحقيق موسع من التذبذبات الدماغ، على الرغم من آثاره ليست مفهومة تماما. توضح هذه المقالة إعداد آمن وموثوق به لتطبيق تاكس في وقت واحد مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي يمكن أن تزيد من فهم وظيفة دماغية متذبذبة وآثار تاكس.
عبر الجمجمة بالتناوب التحفيز الحالي (تاكس) هو أداة واعدة للتحقيق موسع من التذبذبات الدماغ. تاكس توظف التحفيز تردد محددة من الدماغ البشري من خلال تطبيق الحالي على فروة الرأس مع أقطاب السطح. ويستند معظم المعرفة الحالية لهذه التقنية على الدراسات السلوكية. وبالتالي، الجمع بين طريقة مع التصوير الدماغ يحمل القدرة على فهم أفضل لآليات تاكس. بسبب التحف الكهربائية وقابلية التأثر، والجمع بين تاكس مع تصوير الدماغ يمكن أن يكون تحديا، ومع ذلك، واحدة تقنية التصوير الدماغ التي هي مناسبة تماما ليتم تطبيقها في وقت واحد مع تاكس هو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). في مختبرنا، قمنا بجمع بنجاح تاكس مع قياسات الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد لإظهار أن الآثار تاكس هي الدولة، الحالية، والتردد تعتمد، وأن تعديل نشاط الدماغ لا يقتصر على المنطقة مباشرة تحت الأقطاب الكهربائية. توضح هذه المقالة مجموعة آمنة وموثوق بهامتابعة لتطبيق تاكس في وقت واحد مع مهمة مرئية وظائف الرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي يمكن أن تقرض لفهم وظيفة الدماغ متذبذبة، فضلا عن آثار تاكس على الدماغ.
عبر الجمجمة بالتناوب التحفيز الحالي (تاكس) هو تقنية تحفيز الدماغ موسع مع وعد للتحقيق التذبذبات العصبية ووظائف الدماغ تردد محددة في الأفراد الأصحاء وكذلك لدراسة وتعديل التذبذبات في السكان السريرية 1 . باستخدام اثنين أو أكثر من الأقطاب الكهربائية موضوعة على فروة الرأس، يتم تطبيق موجات الجيب منخفضة الحالية (1-2 أماه ذروة إلى ذروة) إلى الدماغ في التردد المطلوب للتفاعل مع التذبذبات العصبية الجارية. وقد تقاس الدراسات تاكس التحوير السلوكي أو المعرفي التردد والمهام محددة بما في ذلك ولكن لا تقتصر على وظيفة المحرك 2 ، أداء الذاكرة العاملة 3 ، سوماتوسنساتيون 4 ، والإدراك البصري 5 ، 6 ، 7 . وقد أدى تطبيق التيار المتناوب بطريقة غير موسع أيضا إلى وظيفيةوتحسين في المرضى العصبية، مثل الحد من الزلزال في مرض باركنسون 8 ، وتحسين الرؤية في الاعتلال العصبي البصري 9 ، وتحسين معدل الكلام، الحسية، والمحرك الانتعاش بعد السكتة الدماغية 10 . على الرغم من عدد متزايد من الدراسات باستخدام تاكس للبحوث والأدلة على إمكاناتها العلاجية في البيئات السريرية، وآثار هذه التقنية ليست كاملة تماما، وآلياتها ليست مفهومة تماما.
المحاكاة والدراسات الحيوانية يمكن أن توفر نظرة ثاقبة آثار التحفيز الحالي بالتناوب على مستوى الشبكة الخلوية أو العصبية تحت ظروف تسيطر 11 ، 12 ، ولكن نظرا لاعتماد الدولة من تقنيات التحفيز الفعالة 13 ، 14 ، مثل هذه الدراسات لا تكشف عن الصورة الكاملة . الجمع بين تاكس مع تقنيات التصوير العصبيمثل تخطيط كهربية الدماغ (إيغ) 15 ، 16 ، 17 ، ماغنيتنسيفالوغرافي (ميج) 18 ، 19 ، 20 ، أو وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) 21 ، 22 ، 23 ، 24 يمكن أن تبلغ عن تعديل على مستوى النظم وظيفة الدماغ. ومع ذلك، فإن كل تركيبة تأتي مع التحديات التكنولوجية، ويرجع ذلك أساسا إلى التحف التي يسببها القطع الأثرية في قياس الترددات من الفائدة 15 . على الرغم من أن القرار الزمني للرنين المغناطيسي الوظيفي لا يمكن أن تتطابق مع قياسات إيغ أو ميج، التغطية المكانية والقرار في مناطق الدماغ القشرية تحت القشرية متفوقة.
في الآونة الأخيرة، في دراسة تاكس-الرنين المغناطيسي الوظيفي مجتمعة، أظهرنا أن آثار تاكس على مستوى الأكسجين في الدم د(بولد) إشارة قياسها مع الرنين المغناطيسي الوظيفي على حد سواء تردد ومهمة محددة، وأن التحفيز لا تمارس بالضرورة أكبر تأثير لها مباشرة تحت الأقطاب، ولكن في المناطق أكثر بعدا عن الأقطاب 22 . في دراسة تالية، قمنا بالتحقيق في تأثير موقف القطب تاكس وتواتر على وظيفة الشبكة باستخدام اتساع تقلبات التردد المنخفض والوظيفة وظيفية يستريح، بما في ذلك استخدام بذور الترابط من المناطق المحفزة بشكل مباشر، كما هو مشتق من كثافة الحالية القائمة على الموضوع المحاكاة. وعلى الأخص في هذه الدراسة، أثار التحفيز ألفا (10 هرتز) وغاما (40 هرتز) آثارا عكسية في اتصال الشبكة أو على التشكيل الإقليمي 23 . بالإضافة إلى ذلك، كانت شبكة استراحة الدولة الأكثر تضررا هي شبكة التحكم الأمامية الأمامية الجدارية. هذه الدراسات تسلط الضوء على إمكانية استخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لتحديد المعلمات المثلى ل، ستي تسيطر فعالةmulation. أيضا، أنها تسهم في الأدلة على أنه، إلى جانب المعلمات التي تسيطر عليها، مثل حالة المهمة والتوقيت، وتيرة التحفيز، والمواقف القطب، وهناك عوامل محددة الموضوع التي تؤثر على نجاح تاكس. ومن أمثلة خصائص الخواص التي تترجم كمتغيرات غير قابلة للتحكم في تحسين معلمات التحفيز هي التوصيل الوظيفي الجوهري وتكرار ذروة التذبذب الداخلي (على سبيل المثال ، تردد ألفا فردي)، وسمك الجمجمة والجلد 25 . وبالنظر إلى الجسم الحالي من الأدب المتعلقة تاكس، والمزيد من الدراسات التي تجمع بين تاكس مع القياسات العصبية مثل التصوير العصبي مطلوبة لوضع إجراءات شاملة لتقنيات التحفيز الدماغ فعالة.
هنا، ونحن تصف الإعداد آمنة وموثوق بها للتجارب تطبيق تاكس في وقت واحد مع الرنين المغناطيسي الوظيفي للمهمة البصرية، مع التركيز على جوانب الإعداد والتنفيذ التي تسفر تاك متزامنة بنجاحS مع الحصول على قطعة أثرية خالية من البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي.
هنا، وصفنا الإجراء لتزامن تاشس-فمري إعداد التجربة والتنفيذ باستخدام نظام تاكس مر متوافق. تتطلب بعض الخطوات في هذا الإجراء اهتماما خاصا، وخاصة فيما يتعلق بإعداد الموضوع. إن جهاز التشبيه والإعداد المتوافق مع مر المستخدم في هذه التجربة له مقاومة أدنى تبلغ حوالي 12 كيلوواط مع الكابلات وصناديق الترشيح والأقطاب الكهربائية فقط، وتوصي الشركة المصنعة بمقاومة 20 كيلووات كحد أدنى مع أقطاب كهربائية متصلة بالموضوع؛ هذا الشرط يعتمد على منتج مشجعا والشركة المصنعة. عند تطبيق الأقطاب الكهربائية لهذا الموضوع، إذا كانت مقاومة عالية جدا، ويمكن اتخاذ بعض الخطوات للحد من هذه القيمة جانبا من الضغط على الأقطاب. على سبيل المثال، قد يكون من الأسهل أولا تغطية المواقع ملحوظ وتنظيفها على فروة الرأس مع هلام القطب، بما في ذلك الشعر، قبل الضغط على القطب على فروة الرأس. وهذا يضمن انتشار الحالي عبر المواد غير الموصلة. ومع ذلك،كن حذرا للحد من تغطية هلام الكهربائي إلى ما يقرب من نفس المساحة السطحية مثل الأقطاب لتوجيه الانتشار الحالي إلى المنطقة المطلوبة من التحفيز. إيلاء اهتمام خاص لهذا إذا الأقطاب هي قريبة من بعضها البعض، لأن التحول الحالي بين الأقطاب قد تحدث من خلال الزائدة القطب اتصال هلام. إذا كان القطب هو على الجزء الخلفي من الرأس حيث سيتم وضع هذا الموضوع مباشرة على ذلك، يجب إيلاء عناية خاصة لوضع الوسائد وراء الرأس بحيث أن هذا الموضوع لن تنمو غير مريحة مع استمرار التجربة. هذا الانزعاج قد لا يكون مشكلة في البداية لهذا الموضوع، ولكن التجربة تظهر أن الألم ينشأ ويزيد مع مرور الوقت. بالإضافة إلى ذلك، كما هو الحال مع جميع التجارب الرنين المغناطيسي الوظيفي، حركة الموضوع يدخل كونفوندز إشكالية، لذلك فمن المهم أن هذا الموضوع هو مريح مع جميع الكابلات والأقطاب في المكان.
الجانب الأكثر أهمية من الإعداد للنظر هو الضوضاء التي يحتمل إدخالها فيإلى بيئة مر التي يمكن أن تحفز التحف الصورة والتشوهات. قبل التجربة، فمن الحكمة لاختبار التحف الصورة مع الإعداد تاكس كله في المكان. ويمكن استخدام فانتوم كروية طبيعية، وتأمين الأقطاب الكهربائية مع هلام الكهربائي. من المهم أن توفر بعض الطريق للحالي للسفر بين الأقطاب الكهربائية، والتي يمكن أن يتحقق عن طريق تطبيق كمية سخية من هلام القطب في مسار من قطب واحد إلى الآخر. تشغيل التجربة بأكملها، كما هو مخطط لهذا الموضوع، بما في ذلك الاختلافات المعلمة مثل التردد والتيار. خلال جلسة المسح الضوئي، وضبط التباين والنوافذ إلى أقصى الحدود في عارض الصور على جهاز الكمبيوتر الماسح الضوئي السيطرة مر يسمح أسهل البصرية الكشف عن الضوضاء. عند الرصد البصري للضوضاء قبل وأثناء التجربة، قد تحدث الضوضاء كمسامير في الصورة ذات كثافة عالية، وأنماط حيث لا ينبغي قياس إشارة، أو كثافة متفاوتة مع مرور الوقت، على سبيل المثال. الحصول على بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي مع إكسيتاتيو رفنبض إيقاف يعطي معلومات حول ضوضاء بيئة الماسح الضوئي أثناء المسح دون الحصول على إشارة الصورة الفعلية (انظر الشكل 2 ). ويمكن إجراء اختبار الضوضاء هذا في كل جلسة مسح. إذا كان هناك اختلافات في الضوضاء، تحقق من أن جميع الكابلات سليمة ومتواصلة بشكل جيد إلى مشجعا، أقطاب، وصناديق التصفية. لا ينبغي أن الكابلات الجلوس في الحلقات. يمكن أن تنشأ الضوضاء أو التشويه من الكابلات المكسورة والأقطاب الكهربائية الملوثة بالمعدن في المطاط (على الرغم من بيعها على أنها متوافقة مع مر)، والاتصالات الخاطئة، من بين الاحتمالات الأخرى. مشجعا هو يحركها البطارية للحد من الضوضاء الكهربائية في الإعداد. تأكد من أنه مشحونة بالكامل قبل كل تجربة وأنه يبقى على وتوصيل طوال التجربة. تسنر في الصور الوظيفية سوف تنخفض حوالي 5٪ مع مشجعا متصلا، ومع ذلك، يجب أن تكون القيم مستقرة عبر ظروف التحفيز 22 . في وقت واحد عبر الجمجمة التحفيز الكهربائي-الرنين المغناطيسي الوظيفي الاختبارات سوقد أظهرت ن كادافيرس أنه لا توجد القطع الأثرية المرتبطة بالتناوب التحفيز الحالي، وهو ميزة مقارنة التحفيز الحالي المباشر 30 . نظريا، وهذا النقص في التحف يمكن تفسيرها من قبل صافي الحالي من الصفر في الوقت الذي يتم الحصول على الصورة 30 . ومع ذلك، بالنسبة لبعض التجارب التي أجريت في مختبرنا، ووقت الاستحواذ أو تر ليست متعددة من تردد التحفيز. بعد إجراء اختبارات الضوضاء المذكورة في هذا البروتوكول وفحص الصور عن التحف، والتي لم تكن مرئية، خلصنا إلى أن أي اختلاف في صافي الحالي من الصفر هو صغير ولا يكاد يذكر للحث على التحف.
نقطة حاسمة أخرى للتجارب الناجحة هو أن الكمبيوتر العرض يتلقى الناتج الزناد من الماسح الضوئي وأن المشجعا يتلقى الزناد من الكمبيوتر العرض. قبل التجربة، برنامج التحفيز البصري تصميم وتوقيت باستخدام ثه البرنامج المطلوب. هذا البرنامج يجب استخدام مشغلات لمزامنة العرض التحفيزي البصري مع الماسح الضوئي مر ومحفز. فإنه يبدأ مع الزناد الذي هو الناتج من الماسح الضوئي مر ويرسل أيضا مشغلات الإخراج إلى مشجعا في أوقات التحفيز المطلوب. طريقة سهلة للتحقق من الاتصالات الزناد أثناء الإعداد هو استخدام الذبذبات المرفقة مع كابل بنك إلى الناتج الزناد الماسح الضوئي وكذلك إخراج الكمبيوتر العرض. في الإعداد لدينا، ماسح ضوئي مر يخرج الزناد (تبديل) لكل حجم وظيفي المكتسبة، والكمبيوتر العرض يخرج إشارة كما مبرمجة من خلال برنامج العرض التقديمي. ويستند تحليل تجربة مصممة تصميما جيدا بشكل حاسم على التحفيز توقيت مناسب.
قد يتم تكييف بعض خطوات هذه التجربة حسب الضرورة لمتطلبات إعداد المختبر. على سبيل المثال، يصف هذا الإعداد باستخدام جهاز العرض والمرايا للعرض التحفيز البصري، ولكن التحفيز البصري أويمكن أن يكون جهاز نقطية مر آمنة شاشات الكريستال السائل عرض أو رصد مر آمنة، التي تم اختيارها على أساس التجربة والمختبرات تفضيلات أو قيود. أيضا، ينبغي أن تكون مصممة المعلمات مسح التصوير بالرنين المغناطيسي إلى التجربة. ومن الجدير بالذكر أنه ينبغي إيلاء الاهتمام لاختيار مناسب من السيطرة التجريبية ل تاكس، على الرغم من أن الإجابة واضحة لا وجود لها. A تحفيز قصيرة من 30 ثانية يمكن أن تحاكي سوماتوسنساتيون الناجم عن تاكس أن يقلل في نهاية المطاف مع التحفيز لفترات طويلة. ومع ذلك، فإن بعض الدراسات تبين أن حتى فترات قصيرة من التحفيز يمكن أن تحفز إنتراينمنت 12 التذبذب. وثمة عنصر تحكم محتمل آخر يمكن استخدامه لتاكس هو تحفيز استخدام تردد غير فعال، أو بعبارة أخرى، تردد مختلف عن الاهتمام. الاستثناء هنا سيكون أن سوماتوسنساتيون وفوسفين الإدراك تختلف وفقا للتردد التحفيز 31 . وأخيرا، فيما يتعلق تجارب ذاتية من التحفيزulation، الناجم جان التقييم التقني-phosphenes تختلف باختلاف الأفراد، وذلك من أجل التقاط أفضل تقلب الموضوع، والنظر في استخدام نظام تصنيف مفصل عن تصور بصة، وقضاء بعض الوقت مع هذا الموضوع يصف ميزات مختلفة من phosphenes (على سبيل المثال، والموقع، وكثافة) التي يمكن أن تنشأ بحيث يمكن للموضوع تقييم باهتمام له أو لها تجربة أثناء التحفيز 32 ، 33 .
وتشير النتائج التمثيلية المعروضة هنا إلى أن تأثيرات تاكس تعتمد على التردد الحالي، وأن التشكيل لا يقتصر على المناطق الواقعة تحت الأقطاب، بل يمتد إلى مناطق بعيدة ومحتملة وظيفيا محتملة. واحد الحد من هذه التقنية هو القرار الزمني من الرنين المغناطيسي الوظيفي، وكذلك من استجابة بولد. الحصول على البيانات والاستجابة الدورة الدموية ليست بأسرع وتيرة التحفيز أو النشاط الكهربائي للدماغ، لذلك التفاعلات المباشرة مع الترددلا يمكن قياس آثار محددة من تاكس. ومع ذلك، وبالنظر إلى أن أكبر حصة من المؤلفات العلمية لتأثيرات تاكس هي من الدراسات السلوكية، وأن تاكس يؤثر بشكل واضح على كل شيء، ونظام عصبي معقد، فمن الواضح أن تجارب تاكس-فمري في وقت واحد لديها الكثير لتقدمه لإعلامنا حول آثار تاكس في الدماغ. إيغ و ميج تقدم رؤى حول مستوى القرارات الزمنية التي تطابق تلك من النشاط العصبي. ومع ذلك، إيغ و ميج يعانون من القرار المكاني والقيود عمق القشرية أو تقنيات حسابية إعادة الإعمار مصدر مكثفة. تردد التحفيز والتحف التوافقي تجاوز إشارات الدماغ من الفائدة المسجلة في نفس الترددات مزيد من تعقيد تحليل إيغ و ميج. وقد تم تطبيق حلول مبتكرة لمعالجة بعض هذه التحديات. هلفريش وآخرون. توظيف تقنية جديدة لإزالة قطعة أثرية تاكس من البيانات إيغ باستخدام قالب قطعة أثرية الطرح والتحليل مكون المبدأ 15 </sتصل>. وأظهرت أن 10 هرتز تاكس تطبيق باريتو-أوبيتبيتالي يزيد نشاط ألفا في القشور الجداري والقذالي ويحفز التزامن في مذبذب القشرية تعمل في ترددات جوهرية مماثلة. ويتكوسكي وزملاؤه تطبيق تاكس التضمين السعة وخلق بنجاح الخرائط القشرية القائم على ميج من التذبذبات الدماغ مدخنة 34 . بهدف تطبيق تاكس في البحث لفهم أفضل وظيفة الدماغ العادية وغير طبيعية، وفي نهاية المطاف سريريا للتشخيص أو العلاجات، ينبغي أن تدمج جنبا إلى جنب مع تاكس جنبا إلى جنب مع إيغ، ميج، والرنين المغناطيسي الوظيفي لتكملة أفضل الممارسات للآثار المرجوة المحددة التي يمكن أن تكون مصممة وتحديدا للأفراد. وعند إنشاء مثل هذه الممارسات، يمكن إجراء تحقيقات فعالة لفهم وظيفة التذبذبات العصبية بشكل أفضل ( مثل تحديد الأدوار الوظيفية والعلاقات بين نطاقات التردد المختلفة) وتعديلها مع نظام تاكس (على سبيل المثال ،على سبيل المثال، ما إذا كانت الآلية تحدث من خلال إنتراينمنت أو التغييرات البلاستيكية 35 ).
وبالنظر إلى الاتجاهات المستقبلية، تم تصميم الإعداد الموصوف هنا لتجارب الرنين المغناطيسي الوظيفي التي تدرس الإدراك أو الإدراك، كما أظهرت الدراسة من بنية من الحركة الموصوفة هنا وغيرها. أظهر كابرال-كالديرين وزملاؤه أن التنشيط في مناطق القشرة القذالية يعتمد على تردد المهمة و تاكس في تجربة مشاهدة الفيديو مقابل التنصت على الإصبع 22 . في دراسة الترابط بالرنين المغناطيسي الوظيفي-يستريح الدولة تاكس-يستريح في وقت واحد، أظهرت كابرال-كالديرين وزملاؤه آثار تعتمد على تردد تاكس على الاتصال الوظيفي الجوهري واستراحة شبكات الدولة 23 . فوسكوهل إت آل . جنبا إلى جنب تاكس والرنين المغناطيسي الوظيفي لإظهار انخفاض بولد خلال مهمة اليقظة البصرية في الفردية ألفا تحفيز التردد 24 . وأظهر ألكسيتشوك وزملاؤه أن التأثيرات الفورية من 10 هرتز تاكس تعديل إشارة بولد خلال التصور البصري من حلقات متقلب وأوتاد، مما يدل على تغيير في التمثيل الغذائي العصبي من مهمة التصور السلبي 36 . وقد وضعت هذه الدراسات مرحلة دراسات تاكس-فمري المتزامنة للتحقيق في آليات وظيفية على العديد من المستويات، بدءا من عملية التمثيل الغذائي إلى الإدراك. في مثل هذه المرحلة المبكرة في استخدام تاكس للبحوث متعدية، وهناك الكثير من الإمكانات لتجارب تاكس-فمري في وقت واحد لإضافة إلى فهم كل من تقنية التحفيز وإسهام التذبذبات إلى الوظائف المعرفية.
The authors have nothing to disclose.
نشكر إيلونا بفهلرت و بريتا بيرل للمساعدة التقنية خلال تجارب التصوير الوظيفي وسيفرين هيومولر لدعم الكمبيوتر ممتازة. وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة هيرمان وليلي شيلينغ ومركز المجهري النانوي وعلم وظائف الأعضاء الجزيئية للدماغ (نمب).
None | |||
DC-Stimulator MR | NeuroConn, Ilmenau, Germany | includes: inner filter box, outer filter box, MR-safe electrode and stimulator cables (1 each), stimulator, 2 surface electrodes, and one shielded LAN cable; NOTE: This manuscript describes tACS-fMRI setup with NeuroConn's MR-safe stimulator, but such a stimulator from another manufacturer would be acceptable, with adaptations made based on manufacturer specifications. | |
3 tesla Tim Trio MR scanner | Siemens, Erlangen, Germany | ||
presentation computer | |||
presentation software (e.g., Matlab) | The Mathworks, Natick, USA | ||
shielded LAN cable | |||
projector | InFocus Corporation, Wilsonville, USA | IN-5108 | |
Ten20 Electrode Paste | Weaver and Co., Aurora, USA | ||
EEG cap – EASYCAP 32-channel system | Brain Products GmbH, Germany | ||
tape measure | |||
marker | |||
pillows | |||
button response box | Current Designs, Philadelphia, USA | ||
isopropyl alcohol | |||
cotton pads | |||
tape | |||
MR-safe sand bags | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe mirrors | Siemens, Erlangen, Germany | ||
MR-safe screen | can be built in local machine shop to fit site-specific parameters | ||
E-A-Rsoft ear plugs | 3M, Bracknell, UK |