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Behavior

Gleichzeitige transkranielle Wechselstromstimulation und funktionelle Magnetresonanztomographie

Published: June 05, 2017
doi:
10.3791/55866
, , , , ,
1Department of Cognitive Neurology,University Medicine Goettingen, 2Department of Neurology,University Medicine Goettingen, 3German Primate Center,Leibniz Institute for Primate Research, 4DFG Center for Nanoscale Microscopy & Molecular Physiology of the Brain (CNMPB)

Summary

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist ein vielversprechendes Werkzeug für die nichtinvasive Untersuchung von Hirnschwingungen, obwohl ihre Wirkungen nicht vollständig verstanden werden. Dieser Artikel beschreibt einen sicheren und zuverlässigen Aufbau für die Anwendung von tACS gleichzeitig mit funktioneller Magnetresonanztomographie, die das Verständnis der oszillatorischen Hirnfunktion und die Effekte von tACS erhöhen kann.

Abstract

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist ein vielversprechendes Werkzeug für die nichtinvasive Untersuchung von Hirnschwingungen. TACS verwendet eine frequenzspezifische Stimulation des menschlichen Gehirns durch den an die Kopfhaut angelegten Strom mit Oberflächenelektroden. Die derzeitigen Kenntnisse der Technik basieren auf Verhaltensstudien; So kombiniert die Methode mit der Gehirn-Bildgebung Potenzial, um besser zu verstehen, die Mechanismen von tACS. Wegen der elektrischen und anfälligen Artefakte kann die Kombination von tACS mit der Gehirn-Bildgebung eine Herausforderung darstellen, aber eine Gehirn-Bildgebung, die gut geeignet ist, gleichzeitig mit tACS angewendet zu werden, ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI). In unserem Labor haben wir tACS erfolgreich mit simultanen fMRI Messungen kombiniert, um zu zeigen, dass tACS Effekte staatlich, aktuell und frequenzabhängig sind und dass die Modulation der Hirnaktivität nicht auf den Bereich direkt unter den Elektroden beschränkt ist. Dieser Artikel beschreibt einen sicheren und zuverlässigen SatzUp für die Anwendung von tACS gleichzeitig mit visuellen Aufgabenstellung fMRI-Studien, die zum Verständnis der oszillatorischen Hirnfunktion sowie die Auswirkungen von tACS auf das Gehirn verleihen können.

Introduction

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist eine nichtinvasive Hirnstimulationstechnik mit Versprechen für die Untersuchung von neuronalen Schwingungen und frequenzspezifischen Hirnfunktionen bei gesunden Individuen sowie zur Untersuchung und Modulation von Schwingungen in klinischen Populationen 1 . Unter Verwendung von zwei oder mehr leitfähigen Elektroden, die auf der Kopfhaut platziert sind, werden niedrige Strom (1-2 mA Peak-to-Peak) sinusförmige Wellen auf das Gehirn in einer gewünschten Frequenz angewendet, um mit laufenden neuralen Schwingungen zu interagieren. TACS-Studien haben Frequenz- und aufgabenbezogene Verhaltens- oder kognitive Modulationen gemessen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Motorfunktion 2 , Arbeitsspeicherleistung 3 , Somatosensation 4 und visuelle Wahrnehmung 5 , 6 , 7 . Die Anwendung von Wechselstrom in einer nichtinvasiven Weise hat auch zu funktionellen geführtVerbesserung der neurologischen Patienten, wie z. B. Tremor-Reduktion bei Parkinson-Krankheit 8 , verbesserte Sehvermögen in der optischen Neuropathie 9 und verbesserte Reduzierungsrate, sensorische und motorische Erholung nach Schlaganfall 10 . Trotz einer zunehmenden Zahl von Studien mit tACS für die Forschung und Beweise für ihre therapeutischen Potenzial in klinischen Einstellungen, die Auswirkungen dieser Technik sind nicht vollständig charakterisiert, und ihre Mechanismen sind nicht vollständig verstanden.

Simulationen und Tierversuche können Einblicke in die Effekte der Wechselstromstimulation auf zellulärer oder neuronaler Netzwerkebene unter kontrollierten Bedingungen 11 , 12 geben , aber angesichts der Zustandsabhängigkeit effektiver Stimulationstechniken 13 , 14 zeigen solche Studien nicht das ganze Bild . Kombination von tACS mit neuroimaging TechnikenWie die Elektroenzephalographie (EEG) 15 , 16 , 17 , die Magnetoenzephalographie (MEG) 18 , 19 , 20 oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 über die systemeigene Modulation der Hirnfunktion informieren. Allerdings kommt jede Kombination mit technologischen Herausforderungen, vor allem aufgrund von stimulationsinduzierten Artefakten bei der Messung von interessanten Frequenzen 15 . Obwohl die zeitliche Auflösung von fMRI nicht mit EEG- oder MEG-Messungen übereinstimmen kann, ist ihre räumliche Abdeckung und Auflösung in kortikalen und subkortikalen Hirnregionen überlegen.

Vor kurzem haben wir in einer kombinierten tACS-fMRI-Studie gezeigt, dass die Effekte von tACS auf die Blut-Oxygenierungsstufe d(BOLD) -Signal, das mit fMRI gemessen wird, sind sowohl frequenz- als auch aufgabenspezifisch, und dass die Stimulation nicht unbedingt ihre größte Wirkung direkt unterhalb der Elektroden ausübt, sondern in von den Elektroden 22 entfernten Bereichen. In einer folgenden Studie untersuchten wir die Wirkung der tACS-Elektrodenposition und -häufigkeit auf die Netzwerkfunktion unter Verwendung von Amplituden von niederfrequenten Schwankungen und Rest-State-funktionalen Konnektivität, einschließlich der Verwendung von Korrelations-Samen der am direkt stimulierten Regionen, wie sie sich aus der fachbasierten Stromdichte ergeben Simulationen Vor allem in dieser Studie haben Alpha (10 Hz) und Gamma (40 Hz) Stimulation oft entgegengesetzte Effekte in der Netzwerkkonnektivität oder auf der regionalen Modulation ausgelöst 23 . Darüber hinaus war das am stärksten betroffenen Ruhestandsnetzwerk das linke fronto-parietale Kontrollnetzwerk. Diese Studien zeigen das Potenzial für die Verwendung von fMRI, um optimale Parameter für effektive, kontrollierte Sti zu bestimmenMulde Außerdem tragen sie dazu bei, dass neben den kontrollierten Parametern wie Task-Zustand und Timing, Stimulationsfrequenz und Elektrodenpositionen fachspezifische Faktoren auftreten, die den Erfolg von tACS beeinflussen. Beispiele von Subjektmerkmalen, die als unkontrollierbare Variablen bei der Optimierung von Stimulationsparametern umsetzen, sind intrinsische funktionale Konnektivität, endogene Oszillationsspitzenfrequenz ( zB individuelle Alpha-Frequenz) und Schädel- und Hautdicke 25 . In Anbetracht der aktuellen Literatur in Bezug auf tACS, sind mehr Studien kombiniert tACS mit neuronalen Messungen wie Neuroimaging erforderlich sind, um umfassende Verfahren für effektive Hirnstimulation Techniken zu etablieren.

Hier beschreiben wir eine sichere und zuverlässige Einrichtung für Experimente, die tACS gleichzeitig mit fMRI einer visuellen Aufgabe anwenden, mit Fokus auf Aspekte des Setups und der Ausführung, die erfolgreich synchronisiertes TAC liefernS mit artefaktfreier Erfassung von fMRI-Daten.

Protocol

Durchführung aller Experimente gemäß den Richtlinien des institutionellen Ethikausschusses. Für alle in diesem Manuskript erwähnten Studien wurden alle Verfahren nach der Erklärung von Helsinki durchgeführt und vom örtlichen Ethikkomitee des Universitätsklinikums Göttingen genehmigt. 1. Stimulation und Computer-Setup vor dem Experiment Stimulator-Setup HINWEIS: Der für dieses fMRI-Experiment verwendete Stimulator ist ein speziell entwickeltes Magnetresonanz- (MR) -kompatibles System, das mit einem MR-sicheren inneren Filterkasten, einem äußeren Filterkasten, Sicherheitswiderständen, gekoppelten Kabeln und MR-sicheren Materialien ausgestattet ist. Einige Anweisungen beziehen sich speziell auf die Anweisungen des Herstellers, und diese können bei der Verwendung eines anderen Stimulators variieren. Achten Sie daher darauf, dass die vom Hersteller bereitgestellten Geräteanweisungen befolgt werden, die Ausnahmen von diesem Setup darstellen können. Abbildung 1A zeigt den StimulatorKomponenten, die in diesem experimentellen Aufbau verwendet werden. Navigieren Sie durch das Menü des Stimulators, um die gewünschten experimentellen Parameter zu programmieren (siehe Bedienungsanleitung für Details). Zum Beispiel für eine Stimulationsfrequenz von 10 Hz, Programm 10 Zyklen für Ramp-Up / Down-Zeit von 1 s, 300 sinusförmige Zyklen für 30 s Stimulation, Stromstärke gleich 1.000 μA und repetitive Trigger-Modus, wie für unsere durchgeführt Experimente, sofern nicht anders angegeben. Sichern Sie das Programm, um jedes Mal, wenn das Experiment danach ausgeführt wird, zu laden. Verbinden Sie die Stimulus-Präsentation Computer Trigger-Ausgang an den Stimulator mit einem BNC-Kabel. Legen Sie ein nichtmagnetisches, geschirmtes lokales Netzwerk (LAN) -Kabel durch das Hochfrequenz-Hohlleiterrohr von der Innenseite des Scannerraums. Um eine resonante kapazitive Kopplung zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass das Kabel frei von Schlaufen ist und entlang der Wand des Raumes platziert ist, was zur Rückseite der Magnetbohrung führt und entlang der rechten ScannerbettschieneG in der Bohrung, was zur Position des inneren Filterkastens führt (siehe Abbildung 1C und Sicherheitshinweis in Schritt 2.4 zur Kabelposition). Sichern Sie das Kabel mit Band platziert intermittierend entlang der Länge von ihm. Laden Sie das visuelle Reizprogramm auf einen dafür vorgesehenen Präsentationsrechner, der vom Scannersteuerrechner getrennt ist. Wie in Abbildung 1C dargestellt, verbinden Sie den Präsentationsrechner mit dem Scanner-Triggerausgang über einen optisch-zu-elektrischen Wandler und mit einem Ausgabegerät ( dh Projektor), das in einem abgeschirmten Gehäuse oder außerhalb des Magnetraums angeordnet ist. Verwenden Sie nichtmagnetische Spiegel, um die Projektion auf einen Bildschirm innerhalb der Scannerbohrung zu lenken. 2. Betreff Ankunft und Vorbereitung Pre-Screen rekrutierte Themen für jegliche Kontraindikationen für MR-Scanning ( zB keine Metallimplantate, keine Klaustrophobie, experimentellspezifische Subjektvoraussetzungen) alsGut wie für tACS ( zB Geschichte der Anfälle, chronische Kopfschmerzen, Schwangerschaft) 26 , 27 . Wenn das Subjekt ankommt, beauftragen Sie das Thema über die fMRI-Experimentdetails und beschreiben die zu erwartende Erfahrung ( zB visuelle Reiz, Kribbeln oder Phosphene von tACS, spezielle Aufgabenanweisungen). Legen Sie Elektroden nach dem 10-20 EEG System und Stimulator Vorbereitung. Mit einem Maßband messen Sie den Abstand vom Kopf des Subjekts von der Nasion zum Inion und von Ohr zu Ohr über die Oberseite des Kopfes. Der Schnittpunkt beider Längen gibt die Position auf dem Kopf für Cz, nach dem 10-20 EEG-System. Markiere den Punkt für Cz auf der Kopfhaut mit einer Markierung. Legen Sie eine EEG-Kappe ohne Elektroden auf den Kopf des Patienten, wobei Cz auf die Markierung auf der Kopfhaut des Motivs ausgerichtet ist, bestimmen Sie die gewünschte Position der Elektroden und markieren Sie sie. NICHTE: Es ist wichtig, dass alle Experimentatoren das gleiche Plazierungssystem verwenden, um die Konsistenz durch alle Experimente zu gewährleisten; Das 10-20-EEG-System, das üblicherweise in transkraniellen Stimulationsexperimenten verwendet wird, hat spezifische Richtlinien zur Aufrechterhaltung einer genauen Elektrodenplatzierung 26 , 28 . Mit Alkohol und Wattestäbchen, reinigen Sie das Haar und die Haut auf und um die markierten Flecken auf der Kopfhaut des Patienten; Entfernen Sie Öle und Haarprodukte. Verbreiten Sie etwas Gel auf die Gummielektroden und drücken Sie jede Elektrode fest auf die markierten und gereinigten Stellen auf der Kopfhaut des Patienten, so dass der volle Kontakt von der Elektrode zum leitfähigen Gel zur Kopfhaut mit minimaler Impedanz gewährleistet ist. Mit einem Ersatz-abgeschirmten LAN-Kabel verbinden Sie die Filterboxen und MR-sichere Kabel mit dem Stimulator und den Gummielementen wie in Abbildung 1A dargestellt. Schalten Sie den Stimulator ein und testen Sie die Impedanz (siehe BenutzerHandbuch für Details). Wenn die Impedanz nicht unter 20 kΩ liegt, drücken Sie die Elektroden auf die Kopfhaut oder fügen Sie das Elektrodengel wie nötig hinzu, bis diese Impedanzrichtlinie erfüllt ist. Wenn die Impedanz unter 20 kΩ liegt, erlauben Sie dem Stimulator, für einige Sekunden den Strom auszugeben, um das Motiv mit dem Sinneserlebnis vertraut zu machen. Fragen Sie das Thema über die sensorische Wahrnehmung während dieses Tests, einschließlich, ob Kribbeln Empfindung existiert und kann widerstanden werden, und Umfang oder Ort der Phosphenen während der Stimulation. An diesem Punkt ist das Thema bereit, zum Scannerbett zu gehen. Wenn das Elektrodenkabel in die Gummielektroden des Motivs gesteckt wird, trennen Sie den Stimulator, das Ersatz-LAN-Kabel und die äußeren und inneren Filterboxen. Verbinden Sie die äußere Filterbox mit dem LAN-Kabel, das durch den Wellenleiter zum MR-Scanner läuft, so dass möglichst wenig exponiertes LAN-Kabel außerhalb des Wellenleiters bleibt (siehe Abbildung 1B ). Verbinden Sie dieStimulator an die äußere Filterbox mit dem Stimulator-Kabel und doppelte Überprüfung, dass der Stimulator an die Präsentation Computer Trigger-Ausgang angeschlossen ist. Bereiten Sie das Motiv im MR-Scanner vor. HINWEIS: Abbildung 1C zeigt den vollständigen tACS-fMRI-Setup während des Experiments. Es ist entscheidend, die Kabel und den inneren Filterkasten wie angegeben anzuordnen, wobei das Elektrodenkabel in etwa 90 ° Winkel zur Ebene des Scannerbettes angeordnet ist und der innere Filterkasten auf dem Scannerbettgeländer auf der rechten Seite des Scanners aufliegt Langweilen Wenn dies vernachlässigt wird, kann der Sicherheitskreis des Elektrodenkabels beschädigt werden. Diese Konfiguration gilt sowohl für offene als auch für geschlossene HF-Spulen. Sicherstellen, dass das Motiv frei von magnetischen Materialien ist und für das MRT-Experiment bereit ist, führen Sie das Motiv in den Scannerraum. Geben Sie Ohrenstöpsel für Gehörschutz zum Thema und beauftragen das Thema zu lügenAuf dem Scannerbett, Platzieren von Kissen um und unter dem Kopf und unter den Beinen für Komfort und die Bewegung zu reduzieren. Bei der Platzierung der Kissen hinter dem Kopf des Subjekts ist darauf zu achten, dass das Elektrodenkabel flach und in einer Position liegt, die für das Motiv für die Dauer des Experiments bequem ist. Geben Sie die Alarmkugel und die MR-sichere Antwort-Tastenbox an das Motiv, so dass eine minimale Bewegung erforderlich ist, um einen Knopf zu drücken, um im Experiment zu reagieren. Sichern Sie die HF-Kopfspule über dem Kopf des Patienten mit einem Spiegel, der so befestigt ist, dass das Motiv die Projektionsfläche sehen kann, die in der korrekten Ausrichtung reflektiert wird. Halten Sie das freie Ende des Elektrodenkabels, das von den Gummielementen kommt, an einem Platz in der Kopfspule fest, so dass es nicht fängt, wenn sich das Bett bewegt. Abbildung 1D zeigt den Kopf des Motivs in der Kopfspule mit Kissen, Spiegel und TACS-Kabel an Ort und StelleVor dem Verschieben des Bettes zur Mittelkopfspule für die Bildgebung. Die Filterbox wird auch auf dem Scannerbettgeländer platziert, als Beispiel dafür, wo sie relativ zur Kopfspule sitzen muss, wenn das Scannerbett in der Messposition ist. Bewegen Sie das Scannerbett in die Messposition. Vom hinteren Ende der Scannerbohrung aus schließen Sie das Elektrodenkabel von den Gummielementen an die innere Filterbox an, die mit dem LAN-Kabel verbunden ist, wie in Abbildung 1C dargestellt. Um eine übermäßige Bewegung während des Scannens zu vermeiden, sichern Sie die Kabel und den Filterkasten entlang des Scannerbettgeländers rechts von der Bohrung mit Klebeband und Sandsäcken. Stellen Sie den Projektorschirm in das hintere Ende der Scannerbohrung. Testen Sie die Impedanz auf dem Stimulator noch einmal, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen zwischen Kabeln, Filterboxen und dem Stimulator richtig gemacht werden. 3. MR Scannen und Experimentieren Bevor der Scan beginnt, teste dasPräsentationsrechner registriert, wenn das Motiv Antworttasten drückt. Erwerben Sie hochauflösende T1-gewichtete anatomische Daten ( zB dreidimensionaler Turbo-Fast-Low-Shot-Schuss, Echozeit (TE): 3,26 ms, Wiederholzeit (TR): 2,250 ms, Inversionszeit: 900 ms, Flipwinkel 9 °, Isotrope Auflösung von 1 x 1 x 1 mm 3 ). Nach der Erfassung, passen Sie Kontrast und Fenster auf der anatomischen MRT zu niedrigen und hohen Extremen, um das Rauschen während des Scannens visuell zu erkennen, die sich aus dem Stimulator-Setup ergeben können. Setzen Sie diese visuelle Überwachung des Lärms gleichzeitig mit der funktionalen Bildaufnahme fort. Starten Sie das Experiment auf dem Präsentationscomputer, bereit, mit dem Scanner-Trigger zu beginnen, und starten Sie den Stimulator, um auf den Präsentationscomputerausgang auszulösen. Verlassen Sie den Stimulator auf und verbunden im gesamten fMRI-Experiment, um Unterschiede im zeitlichen Signal-Rausch-Verhältnis (tSNR) zwischen Stimulator zu vermeidenEin- und Ausschaltbedingungen 22 . Starten Sie den fMRI-Scan ( zB zweidimensionale T2 * -gewichtete Gradienten-Echo-Echo-Planar-Bildgebung, TE: 30 ms, TR: 2.000 ms, Flipwinkel 70 °, 33 Scheiben von 3 mm Dicke, keine Lücke zwischen den Scheiben Eine in-plane Auflösung von 3 x 3 mm 2 , 210 Bände für sieben Minuten Scannen), die den Beginn des Experiments auf dem Präsentationsrechner auslöst. Überwachen Sie die Stimulatoranzeige, um zu garantieren, dass der Strom zu den gewünschten Zeiten während der Versuchsläufe gesendet wird. 4. Versuchsabschluss Nachdem das Experiment abgelaufen ist und das Scannen beendet ist, ziehen Sie den internen Filterkasten aus dem Kabel, das mit den Gummielementen verbunden ist, vor dem Verschieben des Scannerbettes, entfernen Sie das Motiv vom Scanner und entfernen Sie die Elektroden, so dass das Motiv frei ist, um ihre Haare zu waschen. Schalte den Stimulator aus und stecke ihn ein, um wieder aufzuladen. Reinigen Sie die Gummielektroden mit Wasser für ihre NexT verwenden.

Representative Results

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen repräsentative Bilder, die für Gerätegeräuschtests in einem Phantom bzw. in einem menschlichen Subjekt erfasst wurden. In jeder Zeile zeigen Fig. 2 und Fig. 3 repräsentative axiale Scheiben aus einem erfassten Volumen oder einer berechneten Karte, die entsprechend über der Reihe markiert ist. Das rechte Bild auf jeder Zeile ist eine sagittale Darstellung des entsprechenden Volumens oder der berechneten Karte, die axiale Scheibenplätze mit blauen Linien anzeigt. Abgesehen von der ersten Zeile, die die Elektroden-Platzierung in Weiß veranschaulicht, wird das Volumen in einem T1-gewichteten Bild in jeder Figur überlagert. Beachten Sie, dass es keine Verzerrung oder Signalausfall von den Elektroden in den T1-gewichteten Bildern gibt. Die zweite Zeile von Fig. 2 zeigt repräsentative funktionale MRI-Daten, die mit dem tACS-Setup aufgenommen wurden, und wurde gedrehtauf. In der Phantom in Fig. 2 ist anscheinend ein Signalausfall und eine Verzerrung aufgrund der Elektroden zu bemerken, jedoch zeigt die Zeile 2 von Fig. 3 , daß diese Verzerrungen nicht über die Kopfhaut in einem Subjekt hinausgehen. Die Zeilen 3 und 4 der Fig. 2 zeigen Rauschmessungen in dem Volumen, die unter Verwendung der gleichen Parameter wie die fMRI-Daten erfaßt werden, jedoch ohne einen HF-Anregungsimpuls. Die Bilder zeigen den Geräuschpegel im Scannerraum und der MR-Hardware während des Scans. Zeile drei ist eine Geräuschmessung mit tACS aus, und Zeile vier ist eins mit tACS an. In der fünften und sechsten Zeile von Fig. 2 sind tSNR-Karten für funktionale Läufe mit dem tACS-Setup und dem Stimulator aus und aus. TSNR-Karten, die aus Daten berechnet wurden, die im menschlichen Subjekt erfasst wurden, erscheinen in Abbildung 3 Zeilen drei, mit tACS aus und vier, mit tACS on. Hinweis gibt es keine sichtbare difIntensität beim Vergleich zwischen Stimulationsbedingungen. Wie wir in einer früheren Studie gezeigt haben, produziert die tACS-Ausrüstung einen um 5% igen Rückgang der tSNR in Bildern im Vergleich zu denjenigen, die ohne das TACS-Setup erworben wurden, aber das tSNR sollte stabil bleiben über Stimulation an und aus Bedingungen 22 . Fig. 4 stellt eine Reihe von Bildern dar, die einen Signalausfall zeigen, der auftreten kann, wenn nicht-MR-kompatible Elektroden verwendet werden. Scheiben aus einem fMRI-Volumen, das von einem Subjekt mit Elektroden aufgenommen wurde, die einige Metallverunreinigungen aufweisen können, zeigen einen Signalabfall unterhalb der Elektrode, die etwa über dem primären motorischen Kortex angeordnet ist, wie bei roten Kreisen angegeben. Fig. 5 zeigt die Ergebnisse eines Experiments, das die Effekte der Stromstärke von 16 Hz Cz-Oz tACS auf das BOLD-Signal bei Probanden prüft, deren nur t Frage ist zentrale kreuzfixierung Während des Experiments wurden 12-Sekunden-Perioden von tACS mit Nicht-Stimulationsperioden variiert, die von 24 – 32 Sekunden variierten. In einer pseudorandomisierten Ordnung wurde tACS in jeder von vier Läufen mit einer unterschiedlichen Stromstärke (500 μA, 750 μA, 1.000 μA, 1.500 μA) aufgetragen. Abbildung 5A zeigt ereignisbezogene Mittelwerte des BOLD-Signals für statistisch signifikante Cluster mit zunehmender Wirkung auf das BOLD-Signal mit erhöhter Stromstärke. Darüber hinaus zeigt Abbildung 5B stromstärkenspezifische T-Score-Karten, die die regionale Spezifität von Effekten sowie eine zunehmende räumliche Wirkung mit erhöhter Stromstärke veranschaulichen. Es lohnt sich auch zu beachten, dass die BOLD-Aktivität in den frontalen Regionen signifikant verändert wurde, was zeigt, dass Modulationen nicht immer direkt unter den Elektroden liegen. Weitere Informationen finden Sie unter Cabral-Calderin und Kollegen 22 . E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Abbildung 6 zeigt repräsentative Ergebnisse eines Experiments, das die Frequenzabhängigkeit von tACS-Effekten während einer visuellen Wahrnehmungsaufgabe prüft. Die Probanden berichteten über die wahrgenommene Richtung einer bistabilen Rotationssphäre Gleichzeitig wurde tACS mit Elektroden angelegt, die bei Cz und Oz bei einer von drei Stimulationsfrequenzen (10 Hz, 60 Hz oder 80 Hz) in jeweils drei getrennten Sitzungen platziert wurden. Abbildung 6A zeigt die Experimentierzeit mit visueller Darstellung und tACS-Perioden zwischen Blöcke der zentralen Kreuzfixierung TACS-Zustands- und Frequenz-Effekt-Interaktionskarten und Cluster-Post-hoc-Tests zeigen frequenzspezifische Effekte im Parietal-Kortex mit 10 Hz TACS-Abnahme und 60 Hz-Zunahme-Signal (Abbildung 6B ) Abbildung 6C zeigt T-Score Karten von spezifischen Effekten von 60 Hz tACS, die sich über die Parietalrinde hinaus erstrecken, um einige occipi zu enthaltenTal und frontalen Regionen. Für Versuchs- und Analysedetails siehe Cabral-Calderin et al. 22 Abbildung 1: TACS-Setup im Scanner. ( A ) TACS Setup mit allen notwendigen Elementen. Der Stimulator und die Kabel sind außerhalb des MR geschirmten Raumes angeschlossen. Ebenfalls gezeigt sind die EEG-Kappe, das Bandmaß und das leitfähige Gel, das für die Elektrodenplatzierung verwendet wird. ( B ) Außenfilterbox und Stimulator außerhalb des Scannerraums. Das LAN-Kabel (in der Abbildung nicht sichtbar) stammt aus dem Scannerraum durch das HF-Wellenleiterrohr und verbindet sich mit dem äußeren Filterkasten, wobei möglichst wenig LAN-Kabel außerhalb des Scannerraums ausgesetzt ist. Der Stimulator sollte an die äußere Filterbox sowie an das Präsentationscomputer Triggerausgangskabel angeschlossen werden. ( C )Scannerumgebung mit experimentellem Setup. Darstellung der tACS-Setup, einschließlich Präsentation Computer, Scanner-Computer und Trigger-Ausgang und Projektor. ( D ) Gegenstand der Beobachtung. Wichtige Elemente sind Kissen, Kabelplatzierung, Sichtspiegel und Kopfspule. Filterkasten wird auf dem Scannerbettgeländer als Beispiel für die Platzierung in der Bohrung platziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2: Qualitätssicherung MR-Bilder von einem Phantom erworben. Zeile 1: Hochauflösende anatomische T1-gewichtete Bild-Axialscheiben mit ihren Positionen, die durch blaue Linien auf einer sagittalen Scheibe nach rechts (auch in jeder nachfolgenden Reihe gesehen) angezeigt werden. Auf der sagittalen Ebene sind die Elektrodenpositionen illust Bewertet in weiß. Row 2: T2 * -gewichtete echo-planare Bildscheiben, mit magentafarbenen Pfeilen, die Signalausfall und Verzerrung durch Elektroden und / oder Elektrodengel anzeigen. Auf der Sagittalebene wird die Positionierung des entsprechenden Volumens als Overlay dargestellt (auch in jeder Folgezeile zu sehen). Zeile 3: Lärmbildscheiben, die mit fMRI-experimentellen Parametern und kein HF-Anregungspuls gewonnen wurden, während das TACS-Setup vorhanden ist und eingeschaltet, aber nicht stimulierend ist. Zeile 4: No-RF-Anregung Bild mit TACS Setup an Ort und Stimulator auf und stimuliert bei 16 Hz erworben. Zeile 5: TSNR-Karte berechnet aus Daten, die mit dem tACS-Setup aufgenommen wurden und eingeschaltet, aber nicht anregend. Zeile 6: TSNR-Karte berechnet aus Daten, die mit dem tACS-Setup aufgenommen wurden, und anregend bei 16 Hz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/> Abbildung 3: Qualitätssicherung MR-Bilder, die von einem Betreff erworben wurden. Zeile 1: Hochauflösende anatomische Bild-Axialscheiben mit ihren Positionen, die durch blaue Linien auf einer sagittalen Scheibe nach rechts (in jeder Zeile gesehen) angezeigt werden. Die Elektrodenpositionen sind in der Sagittalansicht weiß dargestellt. Zeile 2: T2 * -gewichtete echo-planare Bildscheiben, die keinen Signalausfall durch Elektroden und / oder Elektrodengel zeigen. Auf der Sagittalebene wird die Positionierung des entsprechenden Volumens als Overlay dargestellt (auch in jeder Folgezeile zu sehen). Zeile 3: TSNR-Karte berechnet aus Daten, die mit dem tACS-Setup gespeichert und eingeschaltet wurden, aber nicht anregend. Zeile 4: TSNR-Karte berechnet aus Daten, die mit dem tACS-Setup aufgenommen wurden und an 16 Hz stimulieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <p claSs = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Abbildung 4: Signalabfall aufgrund einer kontaminierten Elektrode. Scheiben aus einem fMRI-Volumen, das von einem Subjekt unter Verwendung einer kontaminierten Elektrode erhalten wurde, die grob über den Handknopf des motorischen Kortex gelegt wurde. Rote Kreise zeigen Bereiche unterhalb der Elektrode mit Signalausfall an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 5: Einfluss der aktuellen Stärke auf tACS Modulation des BOLD-Signals. ( A ) F-Score Maps Zeigt den Haupteffekt der aktuellen Stärke auf die Wirkung von 16 Hz tACS. Eine wesentliche Hauptwirkung der Stromstärke in einer einseitigen RANOVA [innerhalb Faktor: Stromstärke (500, 750, 1.000, 1.500 μA)] ist offensichtlich. Die Plots zeigen den ereignisbezogenen durchschnittlichen Zeitverlauf des BOLD-Signals für die tACS-on-Perioden für jede aktuelle Stärke an. Schattierte Regionen zeigen den Standardfehler des Mittels über die Themen an. MedialFG = medialer frontaler Gyrus, IPS = intraparietaler Sulcus, IFG = minderaler frontaler Gyrus, PrC = präzentraler Gyrus, L = links, R = rechts, * Cluster nicht korrigiert für multiple Vergleiche. ( B ) T-Score Karten Anzeigen von BOLD Aktivitätsänderungen während 16 Hz tACS für jede aktuelle Stärke. Es wurde kein signifikanter Effekt bei 500 μA TACS gefunden. LH = linke Hemisphäre; RH = rechte Halbkugel. Dieses Bild wurde von Cabral-Calderin et al. 29 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/> Abbildung 6: Einfluss von tACS auf das BOLD-Signal in einer visuellen Wahrnehmungsaufgabe. ( A ) Schematische Darstellung des Experiments Visueller Stimulus und tACS wurden in einem Blockdesign angewendet, wobei 30 s on-off tACS-Blöcke während 120 Sekunden Blöcke der visuellen Reizpräsentation auftraten. Jede Frequenz wurde in einer anderen Sitzung getestet. SfM = Struktur-von-Bewegung. ( B ) TACS-Bedingung und Frequenz-Interaktionseffekt. F-statistische Karten, die in der Zwei-Wege-RANOVA Bedeutung zeigen (innerhalb der Faktoren: tACS (on, off), Frequenz (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz) und Beta-Schätzungen für zwei repräsentative Cluster im post-zentralen Gyrus. Ununterbrochene Linien und schwarze Sternchen markieren signifikante Unterschiede für Post-hoc-Vergleiche für tACS-on-off-Interaktionseffekte von 10 Hz gegenüber 60 Hz und 10 Hz gegenüber 80 Hz und rote Sternchen bedeuten einen signifikanten Unterschied für tACS bei versen post-post-hoc-Tests. PoC = postcentral gyrus, ichPS = intraparietaler Sulcus ( C ) T-score Karte von 60 Hz tACS. Signifikante Unterschiede im Vergleich von 60 Hz tACS auf versus off. Dieses Bild wurde von Cabral-Calderin et al. Nachgedruckt . 29 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Hier haben wir die Vorgehensweise für eine gleichzeitige tACS-fMRI-Experimentierung und -ausführung mit einem MR-kompatiblen tACS-System beschrieben. Einige Schritte in diesem Verfahren erfordern besondere Aufmerksamkeit, vor allem in Bezug auf das Thema Setup. Der in diesem Experiment verwendete MR-kompatible Stimulator und Setup hat eine minimale Impedanz von ca. 12 kΩ bei den Kabeln, Filterkästen und Elektroden, und der Hersteller empfiehlt 20 kΩ minimale Impedanz mit an das Subjekt angeschlossenen Elektroden; Diese Anforderung hängt von Stimulatorprodukt und Hersteller ab. Beim Aufbringen von Elektroden auf das Motiv, wenn die Impedanz zu hoch ist, können einige Schritte unternommen werden, um diesen Wert abgesehen von dem Drücken der Elektroden zu reduzieren. Zum Beispiel kann es einfacher sein, zuerst die markierten und gereinigten Stellen auf der Kopfhaut mit Elektrodengel, einschließlich der Haare, vor dem Pressen der Elektrode auf die Kopfhaut zu bedecken. Dadurch wird eine Stromverteilung über das nicht leitfähige Material gewährleistet. aber,Achten Sie darauf, die Elektrodengelbedeckung auf etwa die gleiche Oberfläche wie die Elektroden zu begrenzen, um den Strom auf den gewünschten Stimulationsbereich zu übertragen. Achten Sie besonders darauf, wenn die Elektroden dicht beieinander liegen, da das Strommachen zwischen den Elektroden durch überschüssigen Elektrodengelkontakt auftreten kann. Wenn die Elektrode auf der Rückseite des Kopfes liegt, wo das Subjekt direkt darauf legen wird, muss man sorgfältig darauf achten, Kissen hinter den Kopf zu legen, so dass das Subjekt bei der Fortsetzung des Experiments nicht unangenehm wird; Diese Unbequemlichkeit kann kein Problem anfangs für das Thema sein, aber die Erfahrung zeigt, dass Schmerzen entstehen und mit der Zeit zunehmen. Darüber hinaus, wie bei allen fMRI-Experimenten, Subjekt-Bewegung führt problematische Verwechslungen, so ist es wichtig, dass das Thema ist bequem mit allen Kabeln und Elektroden an Ort und Stelle.

Der wichtigste Aspekt des Setups zu berücksichtigen ist das Lärm potenziell eingeführt inZu der MR-Umgebung, die Bildartefakte und Verzerrungen induzieren kann. Vor dem Experiment ist es ratsam, auf Bildartefakte mit dem gesamten TACS-Setup zu testen. Es kann ein normales sphärisches Phantom verwendet werden, das Elektroden mit Elektrodengel sichert. Es ist wichtig, einen gewissen Weg für den Strom zwischen den Elektroden zu schaffen, was durch Aufbringen einer großzügigen Menge an Elektrodengel in einem Weg von einer Elektrode zur anderen erreicht werden kann. Führen Sie das gesamte Experiment, wie geplant für das Thema, einschließlich Parameter Variationen wie Frequenz und Strom. Während der Scansitzung ermöglicht die Anpassung von Kontrast und Fensterung auf Extreme im Bildbetrachter auf dem MR-Scanner-Steuerrechner eine leichtere visuelle Erkennung von Rauschen. Bei visueller Überwachung von Rauschen vor und während des Experiments kann es zu Rauschen kommen, da Spikes im Bild mit hoher Intensität auftreten können, Muster, bei denen das Signal nicht gemessen werden sollte, oder variierende Intensität über die Zeit als Beispiele. Erfassen von fMRI-Daten mit der RF-ExcitatioN-Impuls ausgeschaltet gibt Informationen über Scanner-Umgebungsgeräusche während des Scannens ohne Erfassung des eigentlichen Bildsignals (siehe Abbildung 2 ). Dieser Lärmtest kann in jeder Scansitzung durchgeführt werden. Wenn es Unterschiede im Rauschen gibt, überprüfen Sie, ob alle Kabel intakt sind und gut mit dem Stimulator, den Elektroden und den Filterkästen verbunden sind. Keine Kabel sollten in Schlaufen sitzen. Rauschen oder Verzerrungen können durch gebrochene Kabel, Elektroden mit Metallverunreinigungen im Gummi entstehen (trotz der MR-kompatiblen Verwendung) und fehlerhafte Verbindungen, unter anderem. Der Stimulator ist batteriebetrieben, um das elektrische Rauschen im Setup zu minimieren. Stellen Sie sicher, dass es vor jedem Experiment vollständig aufgeladen ist und dass es während des gesamten Experiments bleibt und verbunden ist. TSNR in funktionalen Bildern verringert sich um 5%, wenn der Stimulator verbunden ist, jedoch sollten die Werte über die Stimulationsbedingungen 22 stabil sein. Gleichzeitige transkranielle elektrische Stimulation-fMRI-Tests oN Kadaver haben gezeigt, dass es keine Artefakte gibt, die mit einer Wechselstromstimulation verbunden sind, was ein Vorteil gegenüber der Gleichstromstimulation ist. Theoretisch kann dieser Mangel an Artefakten durch einen Nettostrom von Null zu dem Zeitpunkt, zu dem das Bild erworben wird, erklärt werden. Für einige der in unserem Labor durchgeführten Experimente ist die Erfassungszeit oder TR jedoch kein Vielfaches der Stimulationsfrequenz. Nach der Durchführung der in diesem Protokoll erwähnten Geräuschversuche und der Untersuchung von Bildern für Artefakte, die nicht sichtbar waren, folgerten wir, dass jeder Unterschied im Nettostrom von Null klein und zu vernachlässigbar ist, um Artefakte zu induzieren.

Ein weiterer kritischer Punkt für erfolgreiche Experimente ist, dass der Präsentationsrechner den Triggerausgang des Scanners empfängt und dass der Stimulator den Auslöser vom Präsentationsrechner erhält. Vor dem Experiment, programmieren Sie die visuelle Stimulus Design und Timing mit thE gewünschte Software. Dieses Programm muss Trigger verwenden, um die visuelle Reizpräsentation mit dem MR-Scanner und dem Stimulator zu synchronisieren; Es initiiert mit einem Auslöser, der vom MR-Scanner ausgegeben wird und sendet auch Auslöser an den Stimulator zu gewünschten Stimulationszeiten. Eine einfache Möglichkeit, die Trigger-Kommunikation während des Setups zu überprüfen, besteht darin, ein mit einem BNC-Kabel verbundenes Oszilloskop an den Scanner-Triggerausgang sowie den Präsentationsrechnerausgang zu verwenden. In unserem Setup gibt der MR-Scanner einen Trigger (Toggle) für jeden erfassten Funktionsumfang aus und der Präsentationsrechner gibt ein Signal aus, das über die Präsentationssoftware programmiert wird. Die Analyse eines gut gestalteten Experiments liegt kritisch auf einer richtig zeitgesteuerten Stimulation.

Einige Schritte dieses Experiments können nach Bedarf angepasst werden. Zum Beispiel beschreibt diese Einrichtung die Verwendung eines Projektors und Spiegel für die visuelle Stimulus-Präsentation, aber der visuelle Reiz ouTput-Gerät kann MR-sichere Flüssigkristall-Display-Schutzbrillen oder ein MR-Safe-Monitor, ausgewählt auf der Grundlage von Experiment und Labor-Präferenzen oder Einschränkungen. Auch MRT-Scan-Parameter sollten auf das Experiment zugeschnitten werden. Es lohnt sich zu beachten, dass die richtige Wahl der experimentellen Kontrolle für tACS beachtet werden muss, obwohl eine einfache Antwort nicht existiert. Eine kurze Scheinstimulation von 30 Sekunden kann die durch TACS induzierte Somatosensation nachahmen, die schließlich mit verlängerter Stimulation abnimmt; Allerdings zeigen einige Studien, dass auch kurze Perioden der Stimulation oszillatorisches Mitreißen induzieren können 12 . Eine andere mögliche Kontrolle, die für tACS verwendet werden kann, ist, mit einer nicht effektiven Frequenz zu stimulieren, oder, mit anderen Worten, eine andere Frequenz als die von Interesse. Die Ausnahme hier wäre, dass die Somatosensation und die Phosphenwahrnehmung je nach Stimulationsfrequenz 31 variieren. Schließlich, in Bezug auf subjektive Erfahrungen von stimDie TACS-induzierten Phosphene variieren über Einzelpersonen, so dass, um die Subjektvariabilität am besten zu erfassen, ein detailliertes Bewertungssystem für die Phosphen-Wahrnehmung in Betracht ziehen und einige Zeit mit dem Thema verbringen, das die verschiedenen Merkmale von Phosphenen ( zB Ort, Intensität) beschreibt Kann entstehen, damit das Subjekt seine Erfahrung während der Stimulation 32 , 33 aufmerksam bewerten kann.

Die hier dargestellten repräsentativen Ergebnisse deuten darauf hin, dass tACS-Effekte stromabhängig, frequenzabhängig sind und dass die Modulation nicht auf die Bereiche unterhalb der Elektroden beschränkt ist, sondern sich auf entfernte, wahrscheinlich funktional verbundene Bereiche erstreckt. Eine Einschränkung dieser Technik ist die zeitliche Auflösung von fMRI sowie der BOLD-Antwort. Die Datenerfassung und die hämodynamische Reaktion sind nicht so schnell wie die Stimulationsfrequenz oder die elektrische Aktivität des Gehirns, so dass direkte Wechselwirkungen mit der Frequenz-spezifische Effekte von tACS können nicht gemessen werden. Angesichts der Tatsache, dass der größte Teil der wissenschaftlichen Literatur von tACS-Effekten von Verhaltensstudien ist und dass tACS offensichtlich ein ganzes, kompliziertes neurales System beeinflusst, ist es klar, dass simultane tACS-fMRI-Experimente viel zu bieten haben, um uns über TACS-Effekte zu informieren das Gehirn. EEG und MEG bieten Einblicke auf der Ebene der zeitlichen Auflösungen, die denen der neuronalen Aktivität entsprechen. EEG und MEG leiden jedoch unter räumlicher Auflösung und kortikalen Tiefenbegrenzungen oder rechenintensiven Quellenrekonstruktionstechniken. Stimulationsfrequenz und harmonische Artefakte, die überhöhte Hirnsignale von Interesse, die bei den gleichen Frequenzen aufgezeichnet wurden, weiter komplizieren EEG und MEG-Analysen. Innovative Workarounds wurden angewendet, um einige dieser Herausforderungen anzugehen. Helfrich et al. Eine neuartige Technik zur Entfernung des tACS-Artefakts aus EEG-Daten unter Verwendung einer Artefakt-Templat-Subtraktion und einer Hauptkomponentenanalyse 15 verwendet </sUp>. Sie zeigten, dass 10 Hz tACS parieto-occipitally erhöht Alpha-Aktivität in der parietalen und okzipitalen Kortizes und induziert Synchronität in kortikalen Oszillatoren funktioniert mit ähnlichen intrinsischen Frequenzen. Witkowski und Kollegen nahmen Amplitudenmodulierte TACS an und schufen erfolgreich MEG-basierte kortikale Karten von mitgerissenen Hirnschwingungen 34 . Mit dem Ziel, tACS in der Forschung für ein besseres Verständnis der normalen und abnormen Hirnfunktion und schließlich klinisch für Diagnostik oder Therapeutika anzuwenden, sollte tACS separat mit EEG, MEG und fMRI kombiniert werden, um präzise Best Practices für spezifische gewünschte Effekte zu erstellen, die maßgeschneidert werden können Speziell für Einzelpersonen. Wenn solche Praktiken aufgebaut werden, können wirksame Untersuchungen durchgeführt werden, um die Funktion von neuronalen Schwingungen ( zB eindeutige Definition von funktionalen Rollen und Beziehungen verschiedener Frequenzbänder) und deren Modulation mit tACS (ZB ob der Mechanismus durch Mitnahme oder plastische Veränderungen auftritt 35 ).

Unter Berücksichtigung zukünftiger Richtungen ist der hier beschriebene Aufbau auf fMRI-Experimente zugeschnitten, die die Wahrnehmung oder Kognition studieren, wie die hier beschriebene Struktur-from-motion-Studie und andere gezeigt haben. Cabral-Calderin und Kollegen zeigten, dass die Aktivierung in Regionen der Hinterhauptsrinde von der Aufgabe und der TACS-Frequenz in einem Video-Watching-Fingerspitzen-Experiment 22 abhängig war. In einer simultanen tACS-resting-state-fMRI-Studie zeigten Cabral-Calderin und Kollegen frequenzabhängige Effekte von tACS auf intrinsische funktionale Konnektivität und ruhende Zustandsnetze 23 . Vosskuhl et al . Kombiniert tACS und fMRI, um BOLD Abnahme während einer visuellen Wachsamkeit Aufgabe bei einzelnen Alpha-Frequenz Stimulation 24 zu zeigen . Alekseichuk und Kollegen zeigten, dass sofortige Nachwirkungen von 10 Hz tACS modulieren das BOLD-Signal während einer visuellen Wahrnehmung von karierten Ringen und Keilen, was auf eine Veränderung des neuronalen Metabolismus einer passiven Wahrnehmungsaufgabe hinweist. Diese Studien setzen die Bühne für simultane tACS-fMRI-Studien, um funktionale Mechanismen auf vielen Ebenen zu untersuchen, vom Stoffwechsel bis zur Kognition. In einem so frühen Stadium der Verwendung von tACS für die Translationsforschung gibt es viel Potenzial für gleichzeitige tACS-fMRI-Experimente, um das Verständnis sowohl der Stimulationstechnik als auch des Beitrags von Schwankungen zu kognitiven Funktionen hinzuzufügen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken Ilona Pfahlert und Britta Perl für technische Unterstützung bei funktionalen Imaging-Experimenten und Severin Heumüller für exzellente Computerunterstützung. Diese Arbeit wurde von der Herman- und Lilly-Schilling-Stiftung und dem Zentrum für Nanoskalige Mikroskopie und Molekulare Physiologie des Gehirns (CNMPB) unterstützt.

Materials

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
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Williams, K. A., Cabral-Calderin, Y., Schmidt-Samoa, C., Weinrich, C. A., Dechent, P., Wilke, M. Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (124), e55866, doi:10.3791/55866 (2017).
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