Gelijktijdige transcraniale wisselstroomstimulatie en functionele magnetische resonantiebeeldvorming

Hier hebben we de procedure beschreven voor een gelijktijdige installatie en uitvoering van tACS-fMRI-experimenten met behulp van een MR-compatibele tACS-systeem. Enkele stappen in deze procedure vereisen speciale aandacht, met name wat betreft de opstelling van het onderwerp. De MR-compatibele stimulator en installatie die in dit experiment wordt gebruikt, heeft een minimale impedantie van ongeveer 12 kΩ alleen met kabels, filterdozen en elektroden en de fabrikant beveelt 20 kΩ minimale impedantie aan met elektroden die zijn aangesloten op het onderwerp. Deze eis is afhankelijk van stimulatorproduct en fabrikant. Bij het aanbrengen van elektroden op het onderwerp, als de impedantie te hoog is, kunnen sommige stappen worden genomen om deze waarde te verminderen naast de elektroden te drukken. Bijvoorbeeld, het kan makkelijker zijn om eerst de gemarkeerde en schoongemaakte plaatsen op de hoofdhuid te bedekken met elektrodegel, inclusief het haar, voordat u de elektrode op de hoofdhuid drukt. Dit zorgt voor de huidige verspreiding over het niet-geleidende materiaal; echter,Wees voorzichtig om de dekking van de elektrodegel te beperken tot ongeveer hetzelfde oppervlak als de elektroden naar de gelijkstroom verspreiden naar het gewenste stimuleringsgebied. Let hierbij vooral op als de elektroden dicht bij elkaar zijn, omdat de huidige schakeling tussen de elektroden kan optreden door overmaat elektrodegelcontact. Als de elektrode zich op de achterkant van het hoofd bevindt, waar het onderwerp er direct op legt, moet er voorzichtig worden gezet om kussens achter het hoofd te plaatsen, zodat het onderwerp niet ongemakkelijk zal worden als het experiment verder gaat Dit ongemak is misschien niet een probleem voor het onderwerp, maar de ervaring laat zien dat er pijn optreedt en met de tijd toeneemt. Bovendien, zoals bij alle fMRI-experimenten, introduceert subjectmotief problematische confounds, dus het is belangrijk dat het onderwerp comfortabel is met alle kabels en elektroden op zijn plaats.

Het belangrijkste aspect van de setup om te overwegen is het geluid dat mogelijk wordt geïntroduceerdNaar de MR omgeving die beeldartifacten en vervormingen kan veroorzaken. Voorafgaand aan het experiment is het verstandig om voor beeldartefacten te testen met de volledige tACS-installatie op zijn plaats. Een normaal bolvormig fantoom kan gebruikt worden, waarbij elektroden worden bevestigd met elektrodegel. Het is belangrijk om een ​​enkele manier te geven voor de stroom om tussen elektroden te reizen, die kan worden bereikt door een royale hoeveelheid elektrodegel in een pad van de ene elektrode naar de andere toe te passen. Voer het volledige experiment uit, zoals gepland voor het onderwerp, inclusief parametervariaties zoals frequentie en stroom. Tijdens de scansessie maakt het aanpassen van contrast en raamwerk naar extremen in de beeldweergave op de MR-scannerbesturingscomputer eenvoudiger zichtbare detectie van geluid. Bij het visueel bewaken van geluid voor en tijdens het experiment kan geluid optreden als spikes in het beeld met hoge intensiteit, patronen waar het signaal niet moet worden gemeten of variabele intensiteit over de tijd als voorbeeld. Verkrijgen van fMRI data met de RF excitatioN-puls uitgeschakeld geeft informatie over het scannen omgevingsklaar tijdens het scannen zonder het werkelijke beeldsignaal te verwerven (zie figuur 2 ). Deze geluidstest kan in elke scansessie worden uitgevoerd. Als er geluidsvariaties zijn, controleer dan of alle kabels intact zijn en goed verbonden zijn met de stimulator, elektroden en filterdozen. Er mogen geen kabels in lussen zitten. Ruis of vervorming kan voortvloeien uit gebroken kabels, elektroden met metaalverontreinigingen in het rubber (ondanks dat ze verkrijgbaar zijn als MR-compatibel) en foutieve aansluitingen, onder andere mogelijkheden. De stimulator is batterijgedreven om elektrisch geluid in de installatie te minimaliseren; Zorg ervoor dat het voor elk experiment volledig opgeladen is en dat het in het experiment blijft en verbonden is. TSNR in functionele beelden zal ongeveer 5% dalen met de aangesloten stimulator, maar de waarden moeten stabiel zijn over stimulatieomstandigheden ²² . Gelijktijdige transcraniale elektrische stimulatie-fMRI tests oN cadavers hebben aangetoond dat er geen artefacten zijn die verband houden met alternatieven stimulatie, wat een voordeel is in vergelijking met gelijktijdige stimulatie ³⁰ . Theoretisch kan dit gebrek aan artefacten worden verklaard door een netto stroom van nul op het moment dat de afbeelding wordt verkregen ³⁰ . Voor sommige van de experimenten die in ons laboratorium zijn uitgevoerd, is de verwervingstijd of TR echter niet een veelvoud van de stimulatiefrequentie. Na het uitvoeren van de in dit protocol vermelde ruisonderzoeken en het onderzoeken van beelden voor artefacten, die niet zichtbaar waren, concludeerden we dat elk verschil in netto stroom van nul klein en te verwaarloosbaar is om artefacten te veroorzaken.

Een ander kritisch punt voor succesvolle experimenten is dat de presentatiecomputer de triggeruitvoer van de scanner ontvangt en dat de stimulator de trigger van de presentatiecomputer ontvangt. Voorafgaand aan het experiment, programma het visuele stimulus ontwerp en timing met behulp van thE gewenste software. Dit programma moet triggers gebruiken om de visuele stimuluspresentatie met de MR-scanner en de stimulator te synchroniseren; Het start met een trigger die uit de MR-scanner wordt geleverd en stuurt ook output triggers naar de stimulator op gewenste stimulatietijden. Een makkelijke manier om de triggercommunicatie tijdens het instellen te controleren is om een ​​oscilloscoop te gebruiken die met een BNC-kabel is bevestigd aan de scanner-trigger-uitgang, evenals de presentatiecomputer-uitgang. In onze setup voert de MR-scanner een trigger uit (omwisselen) voor elk verkregen functioneel volume en de presentatiecomputer geeft een signaal uit zoals geprogrammeerd via de presentatiesoftware. De analyse van een goed ontworpen experiment ligt kritisch op de juiste tijdstimulatie.

Sommige stappen van dit experiment kunnen eventueel aangepast worden voor de laboratoriuminstellingen. Bijvoorbeeld, deze installatie beschrijft het gebruik van een projector en spiegels voor visuele stimulatie presentatie, maar de visuele stimulus ouTput-apparaat kan MR-veilige vloeibaar-kristal-displaybril of een MR-veilige monitor zijn, gekozen op basis van experimenten en laboratoriumvoorkeuren of beperkingen. Ook, MRI scan parameters moeten worden aangepast aan het experiment. Het is de moeite waard om erop te wijzen dat aandacht moet worden besteed aan de juiste keuze van de experimentele controle voor tACS, hoewel een eenvoudig antwoord niet bestaat. Een korte sham-stimulatie van 30 seconden kan de somatosensatie veroorzaken die door tACS geïnduceerd worden, nabootsen, die uiteindelijk afneemt met langdurige stimulatie; Sommige studies tonen echter aan dat zelfs korte periodes van stimulatie oscillerende entrainment ¹² kunnen veroorzaken. Een andere mogelijke controle die kan worden gebruikt voor tACS, is het stimuleren van een niet-effectieve frequentie, of met andere woorden een andere frequentie dan die van belangstelling. De uitzondering hierbij zou zijn dat de somatosensatie en fosfene perceptie verschillen naargelang de stimulatie frequentie ³¹ . Ten slotte, met betrekking tot subjectieve ervaringen van stimulTACS-geïnduceerde fosfenen verschillen over individuen. Om de vakvariabiliteit het beste te kunnen vastleggen, overwegen om een ​​gedetailleerd beoordelingssysteem voor fosfeneperceptie te gebruiken, en wat tijd doorbrengen met het onderwerp waarin de verschillende kenmerken van fosfenen ( bv . Locatie, intensiteit) worden beschreven die Kan zich voordoen zodat het onderwerp tijdens zijn stimulatie ^{32 , 33} aandachtig kan worden beoordeeld op zijn of haar ervaring.

De hier weergegeven representatieve resultaten suggereren dat tACS-effecten afhankelijk zijn van de frequentie afhankelijk zijn, en dat modulatie niet beperkt is tot de gebieden onder de elektroden, maar strekt zich uit tot verre, waarschijnlijk functioneel aangesloten gebieden. Een beperking van deze techniek is de tijdelijke resolutie van fMRI en van de BOLD respons. De dataverzameling en de hemodynamische respons zijn niet zo snel als de stimulatiefrequentie of elektrische activiteit van de hersenen, dus directe interacties met frequentie-specifieke effecten van tACS kunnen niet worden gemeten. Aangezien het grootste deel van de wetenschappelijke literatuur van tACS-effecten gedragsstudies is en dat tACS uiteraard een volledig ingewikkeld neuraal systeem beïnvloedt, is het duidelijk dat gelijktijdige tACS-fMRI-experimenten veel te bieden hebben om ons te informeren over tACS-effecten in de hersenen. EEG en MEG bieden inzichten op het niveau van tijdelijke resoluties die overeenkomen met die van neurale activiteit. Echter, EEG en MEG lijden aan ruimtelijke resolutie en corticale dieptebeperkingen of computationeel intensieve bron-reconstructietechnieken. Stimulatiefrequentie en harmonische artefacten overheersende hersensignalen van interesse die bij dezelfde frequenties zijn opgenomen, compliceren nog meer EEG- en MEG-analyses. Er zijn innovatieve oplossingen toegepast om sommige van deze uitdagingen aan te pakken. Helfrich et al. Heeft een nieuwe techniek gebruikt om het tACS-artefact uit EEG-gegevens te verwijderen door gebruik te maken van een artefact sjabloon aftrekking en principe component analyse ¹⁵ </sup>. Zij toonden aan dat 10 Hz tACS toegepast parieto-occipitaal verhoogt alfa activiteit in de parietale en occipitale cortices en induceert synchroon in corticale oscillatoren die functioneren bij vergelijkbare intrinsieke frequenties. Witkowski en collega's toepassen amplitude-gemoduleerde tACS en succesvol gecreëerde MEG-gebaseerde corticale kaarten van ingebouwde hersenoscillaties ³⁴ . Met het doel om tACS in onderzoek toe te passen om het normale en abnormale hersenfunctie beter te begrijpen en uiteindelijk klinisch voor diagnostiek of therapeutica, moet tACS afzonderlijk gecombineerd worden met EEG, MEG en fMRI om de beste praktijken op te zetten voor specifieke gewenste effecten die kunnen worden aangepast Specifiek voor particulieren. Wanneer dergelijke praktijken worden opgericht, kunnen effectieve onderzoeken worden uitgevoerd om de functie van neurale oscillaties beter te begrijpen ( bijv . Het duidelijk definiëren van functionele rollen en relaties van verschillende frequentiebanden) en hun modulatie met tACS (Bijv. Of het mechanisme zich voordoet door middel van ingewanden of plastic veranderingen ³⁵ ).

Gezien toekomstige richtingen, is de hier beschreven beschrijving op maat gemaakt voor fMRI-experimenten die perceptie of cognitie bestuderen, zoals de hier beschreven structuur-from-motion studie en anderen hebben aangetoond. Cabral-Calderin en collega's toonden aan dat activatie in gebieden van de occipitale cortex afhankelijk was van de taak- en tACS-frequentie in een video-kijken versus vingerafluisterend experiment ²² . In een gelijktijdige tACS-rest-state fMRI studie, vertoonden Cabral-Calderin en collega's frequentieafhankelijke effecten van tACS op intrinsieke functionele connectiviteit en rustende netwerken ²³ . Vosskuhl et al . Gecombineerde tACS en fMRI om BOLD daling te laten zien tijdens een visuele waakzaamheid bij individuele alpha frequentie stimulatie ²⁴ . Alekseichuk en collega's toonden dat onmiddellijke aftereffects van 10 Hz tACS moduleren het BOLD signaal tijdens een visuele waarneming van geruite ringen en wiggen, wat een wijziging in de neurale metabolisme van een passieve perceptie taak ³⁶ aangeeft. Deze studies stellen de fase voor gelijktijdige tACS-fMRI studies vast om functionele mechanismen op veel niveaus te onderzoeken, van metabolisme tot cognitie. In zo'n vroeg stadium in het gebruik van tACS voor translatieonderzoek, is er veel potentieel voor gelijktijdige tACS-fMRI experimenten om het begrip van zowel de stimulatie techniek als de bijdrage van oscillaties aan cognitieve functies toe te voegen.