同時経頭蓋交流刺激および機能的磁気共鳴イメージング

ここでは、MR互換のtACSシステムを使用したtACS-fMRI同時のセットアップと実行の手順について説明しました。この手順のいくつかのステップでは、特に対象設定に関して特に注意する必要があります。この実験で使用されたMR適合性刺激装置およびセットアップは、ケーブル、フィルタボックス、および電極のみで約12kΩの最小インピーダンスを有し、製造者は、電極を被験者に接続して20kΩの最小インピーダンスを推奨する。この要件は、刺激剤製品および製造業者に依存する。被験者に電極を​​適用するとき、インピーダンスが高すぎる場合、電極を押すことを除いてこの値を減少させるためにいくつかのステップをとることができる。例えば、電極を頭皮に押し付ける前に、まず頭皮上のマークされた清潔な場所を毛髪を含む電極ゲルで覆う方が簡単である。これにより、非導電性材料間の電流の広がりが確保される。しかしながら、電流拡散を所望の刺激領域に向けるために、電極の被覆範囲を電極とほぼ同じ表面領域に制限するように注意する。電極間の電流シャントが過剰な電極ゲル接触によって起こる可能性があるため、電極が近接している場合は特に注意してください。電極が頭の後ろにあって被験者が直接寝そべっている場合は、枕を頭の後ろに置いて実験を続けると被験者が不快にならないように注意する必要があります。この不快感は当初は被験者にとって問題ではないかもしれないが、経験は痛みが時間の経過とともに増加していることを示している。さらに、すべてのfMRI実験と同様に、被験者の動きは問題の混乱を招くため、被験者はすべてのケーブルおよび電極を適所に快適に着用することが重要です。

考慮すべき設定の最も重要な側面は、イメージアーチファクトおよび歪みを誘発する可能性のあるMR環境に送信する。実験に先立って、全体のtACS設定が適切に行われた状態で画像アーチファクトをテストすることが賢明です。通常の球状ファントムを使用して、電極ゲルで電極を固定することができる。電流が電極間を移動するための何らかの方法を提供することが重要であり、電極の一方の電極から他方の電極への経路にかなりの量の電極ゲルを塗布することによって達成することができる。周波数と電流などのパラメータの変化を含め、被験者の計画どおりに実験全体を実行します。走査セッション中に、MRスキャナ制御コンピュータ上の画像ビューア内の極端なコントラストおよびウィンドウを調整することにより、ノイズをより簡単に視覚的に検出することができる。実験の前と途中でノイズを視覚的に監視する場合、ノイズが、強度の高い画像、信号を測定しないパターン、時間の経過とともに変化する強度のスパイクとして発生する場合があります。 RF励起によるfMRIデータの取得nパルスをオフにすると、実際の画像信号を取得せずにスキャン中のスキャナ環境ノイズに関する情報が得られます（ 図2参照）。このノイズテストは、すべてのスキャンセッションで実行できます。雑音にばらつきがある場合は、すべてのケーブルが完全であり、刺激装置、電極、およびフィルタボックスによく接続されていることを確認します。ループ内にケーブルを置く必要はありません。壊れたケーブル、ゴムに金属汚染物質（MR互換品として販売されているにもかかわらず）を有する電極、および接続不良などにより、ノイズまたは歪みが生じる可能性があります。刺激装置はバッテリ駆動で、セットアップ時の電気的ノイズを最小限に抑えます。すべての実験の前に完全に充電されていること、実験中は常に充電されていることを確認してください。機能的画像におけるTSNRは、刺激装置を接続した状態で約5％減少するが、値は刺激条件²²にわたって安定しているはずである。同時頭蓋電気刺激-fMRIテストn個の死体は、直流刺激に比べて有利な、交流刺激に関連するアーティファクトがないことを示している³⁰ 。理論的には、このアーチファクトの欠如は、画像が取得された時点でのゼロの正味電流によって説明することができる³⁰ 。しかし、我々の研究室で実施されたいくつかの実験では、取得時間またはTRは刺激周波数の倍数ではありません。このプロトコルで言及されたノイズテストを実施し、目に見えなかったアーチファクトの画像を調べた後、ゼロからの正味電流の差は小さく、アーチファクトを誘導するにはあまりにも無視できると結論付けた。

実験を成功させるための別の重要な点は、プレゼンテーションコンピュータがスキャナのトリガ出力を受信し、刺激装置がプレゼンテーションコンピュータからトリガを受信することである。実験の前に、視覚刺激デザインとタイミングをプログラムする必要なソフトウェア。このプログラムは、視覚刺激提示をMRスキャナおよび刺激装置と同期させるためにトリガを使用しなければならない。 MRスキャナから出力されるトリガで開始し、所望の刺激時間で刺激トリガを出力する。セットアップ中にトリガ通信を確認する簡単な方法は、スキャナのトリガ出力とプレゼンテーションコンピュータの出力にBNCケーブルを接続したオシロスコープを使用することです。我々のセットアップでは、MRスキャナは、取得された機能ボリュームごとにトリガ（トグル）を出力し、プレゼンテーションコンピュータは、プレゼンテーションソフトウェアを介してプログラムされた信号を出力する。うまく設計された実験の分析は、適時に刺激された刺激に決定的に依存する。

この実験のいくつかのステップは、必要に応じて実験室の設定要件に適合させることができる。たとえば、この設定では、視覚刺激提示のためにプロジェクタとミラーを使用する方法が説明されていますが、視覚刺激ouMR-safe液晶ディスプレイゴーグル、またはMR安全モニタとすることができ、MR-safeモニタは、実験および研究室の好みまたは限界に基づいて選択される。また、MRIスキャンパラメータは実験に合わせて調整する必要があります。直接的な答えは存在しないが、tACSの実験的コントロールの適切な選択に注意が払われるべきであることに注意する価値がある。 30秒の短い模擬刺激は、tACSによって誘発される体細胞感覚を模倣することができ、これは最終的に刺激を長くすると減少する。しかし、いくつかの研究では、刺激の短期間でさえ、振動同伴を誘発することができることが示されている¹² 。 tACSのために使用することができる別の可能な制御は、非有効周波数、すなわち関心のある周波数とは異なる周波数を使用して刺激することである。ここでの例外は、体性感覚と聴覚の知覚が刺激頻度³¹によって異なることである。最後に、刺激の主観的経験tACSに誘発されるリンケイ素は個人によって異なるため、被験者の変動性を最大限にとらえるために、リンケージの知覚のための詳細な評価システムの使用を検討し、リンケージのさまざまな特徴（場所、強度など）刺激の間に被験者が自分の経験を注意深く評価できるようにすることができる^32,33 。

ここに示された代表的な結果は、tACS効果が電流依存性、周波数依存性であり、変調が電極の下の領域に限定されず、遠く、機能的に連結されている可能性のある領域に及ぶことを示唆している。この技術の1つの限界は、fMRIの時間分解能およびBOLD応答の時間分解能である。データ収集と血行力学的応答は、脳の刺激周波数または電気的活動ほど速くはないので、周波数との直接的な相互作用tACSの特異的効果は測定できません。しかし、tACS効果の科学文献の最大のシェアは行動研究であり、tACSは明らかに複雑で複雑な神経系に影響を与えることから、同時のtACS-fMRI実験では、脳。 EEGおよびMEGは、神経活動のものと一致する時間的解像度のレベルについての洞察を提供する。しかしながら、EEGおよびMEGは、空間分解能および皮質深度制限、または計算集約的なソース再構成技術に苦しんでいる。同じ周波数で記録された関心のある脳信号をオーバーライドする刺激周波数および高調波アーチファクトは、EEGおよびMEG分析をさらに複雑にする。これらの課題のいくつかには、革新的な回避策が適用されています。 Helfrich et al。アーチファクトテンプレート減算および主成分分析を使用して、脳波データからtACSアーチファクトを除去するための新規技術を採用した¹⁵ </sアップ>。彼らは、10HzのtACSを適用して頭頂後 – 後頭部の後頭皮質でアルファ活動を後頭部で増加させ、同様の固有周波数で機能する皮質オシレーターで同調を誘導することを示した。 Witkowskiらは、振幅変調tACSを適用し、脳梗塞のMEGベースの皮質マップを作成しました³⁴ 。 tACSを脳機能の正常および異常の理解に役立てる目的で、最終的には臨床的に診断または治療のために、tACSをEEG、MEG、およびfMRIと別々に組み合わせて、特定の所望の効果を相補的に確立する必要があります具体的には個人に適用されます。このような実践が確立されれば、神経振動の機能（ 例えば 、異なる周波数帯の機能的役割と関係を明確に定義する）やtACSによる変調をよりよく理解するための効果的な調査を行うことができます例えば、機序が巻き込みや塑性変化によって起こるかどうか³⁵ ）。

今後の方向性を考慮して、ここに記載されている設定は、ここに記載された構造体からの研究と他の者が実証したように、知覚または認知を研究するfMRI実験に合わせて調整される。 Cabral-Calderinらは、後頭皮質の領域での活性化が、ビデオ監視対指タッピング実験におけるタスクおよびtACS頻度に依存することを示した²² 。同時のtACS休止状態のfMRI研究において、Cabral-Calderinらは、固有の機能的接続性および休止状態のネットワーク^23に周波数依存性のtACSの影響を示した²³ 。 Vosskuhl et al 。 tACSとfMRIを組み合わせて、個々のアルファ周波数刺激²⁴における視覚警戒作業の間にBOLDを減少させた²⁴ 。 Alekseichukらは、1の直後の後遺症0 Hz tACSは、パッシブな知覚課題^36の神経代謝の変化を示す、市松模様のリングおよびウェッジの視覚中にBOLD信号を変調する³⁶ 。これらの研究は、代謝から認知まで、多くのレベルで機能的メカニズムを調べるための同時のtACS-fMRI研究の段階を設定した。翻訳研究のためのtACSの使用のこのような初期段階では、同時のtACS-fMRI実験が、刺激技術と、認知機能への振動の寄与の両方を理解するための多くの可能性がある。