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Estimulação de corrente alternada transcraniana simultânea e ressonância magnética funcional

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

A estimulação de corrente alternada transcraniana (TACS) é uma ferramenta promissora para a investigação não invasiva de oscilações cerebrais, embora seus efeitos não sejam completamente compreendidos. Este artigo descreve uma configuração segura e confiável para aplicar TACS simultaneamente com imagens de ressonância magnética funcional, o que pode aumentar a compreensão da função cerebral oscilatória e os efeitos dos TACS.

Abstract

A estimulação de corrente alternada transcraniana (TACS) é uma ferramenta promissora para a investigação não invasiva de oscilações cerebrais. TACS emprega estimulação específica da freqüência do cérebro humano através da corrente aplicada ao couro cabeludo com eletrodos de superfície. O conhecimento mais atual da técnica é baseado em estudos comportamentais; Assim, combinar o método com imagem cerebral tem potencial para entender melhor os mecanismos de TACS. Por causa de artefatos elétricos e de susceptibilidade, a combinação de TACS com imagem cerebral pode ser desafiadora, no entanto, uma técnica de imagem cerebral que é bem adequada para ser aplicada simultaneamente com tACS é a ressonância magnética funcional (fMRI). Em nosso laboratório, nós combinamos com sucesso tACS com medidas de fMRI simultâneas para mostrar que os efeitos de TACS são estatais, atuais e dependentes de freqüência e que a modulação da atividade cerebral não se limita à área diretamente abaixo dos eletrodos. Este artigo descreve um conjunto seguro e confiávelPara aplicar TACS simultaneamente com estudos de fMRI de tarefa visual, que podem ajudar a compreender a função cerebral oscilatória, bem como os efeitos do TACS no cérebro.

Introduction

A estimulação de corrente alternada transcraniana (tACS) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva com promessa de investigar as oscilações neurais e funções cerebrais específicas de freqüência em indivíduos saudáveis, bem como estudar e modular as oscilações em populações clínicas 1 . Usando dois ou mais eletrodos condutores colocados no couro cabeludo, as ondas sinusoidais de baixa corrente (1-2 mA pico-pico) são aplicadas ao cérebro a uma freqüência desejada para interagir com as oscilações neurais em curso. Os estudos de TACS mediram modulações comportamentais ou cognitivas específicas de freqüência e tarefa, incluindo, entre outras, a função do motor 2 , o desempenho da memória de trabalho 3 , a somatossensação 4 e a percepção visual 5 , 6 , 7 . A aplicação de corrente alternada de forma não-invasiva também resultou emMelhoria em pacientes neurológicos, como a redução do tremor na doença de Parkinson 8 , melhora da visão na neuropatia ótica 9 e melhora da taxa de recuperação do discurso, sensorial e motor após o AVC 10 . Apesar de um número crescente de estudos usando TACS para pesquisa e evidência de seu potencial terapêutico em contextos clínicos, os efeitos desta técnica não estão totalmente caracterizados e seus mecanismos não são completamente compreendidos.

Simulações e estudos em animais podem fornecer informações sobre os efeitos da estimulação de corrente alternada no nível da rede celular ou neural em condições controladas 11 , 12 , mas dada a dependência do estado de técnicas de estimulação efetivas 13 , 14 , tais estudos não revelam a imagem inteira . Combinando tACS com técnicas de neuroimagemComo eletroencefalografia (EEG) 15 , 16 , 17 , magnetoencefalografia (MEG) 18 , 19 , 20 ou ressonância magnética funcional (fMRI) 21 , 22 , 23 , 24 podem informar sobre a modulação do sistema de função cerebral. No entanto, cada combinação vem com desafios tecnológicos, principalmente devido a artefatos induzidos por estimulação na medição de freqüências de interesse 15 . Embora a resolução temporal do fMRI não possa corresponder às medições EEG ou MEG, sua cobertura espacial e resolução em regiões corticais e subcorticais do cérebro é superior.

Recentemente, em um estudo tACS-fMRI combinado, mostramos os efeitos do tACS no nível de oxigenação do sangue dO sinal de Ependent (BOLD) medido com fMRI é tanto específico de freqüência como de tarefa, e que a estimulação não exerce necessariamente seu maior efeito diretamente por baixo dos eletrodos, mas em regiões mais distantes dos eletrodos 22 . Em um estudo a seguir, investigamos o efeito da posição e freqüência do eletrodo TACS na função de rede usando amplitude de flutuações de baixa freqüência e conectividade funcional do estado de repouso, incluindo o uso de sementes de correlação das regiões mais diretamente estimuladas, derivadas da densidade de corrente baseada em assunto Simulações. Mais notavelmente, neste estudo, a estimulação alfa (10 Hz) e a gama (40 Hz) provocaram frequentemente efeitos opostos na conectividade de rede ou na modulação regional 23 . Além disso, a rede de estado de repouso mais afetada foi a rede de controle fronto-parietal esquerda. Esses estudos destacam o potencial para usar o fMRI para determinar os parâmetros ótimos para a estiagem efetiva e controladaMultiplicação. Além disso, eles contribuem para evidenciar que, além de parâmetros controlados, como condição de tarefa e tempo, freqüência de estimulação e posições de eletrodos, existem fatores específicos de assunto que influenciam o sucesso de tACS. Exemplos de características do sujeito que se traduzem como variáveis ​​incontroláveis ​​na otimização de parâmetros de estimulação são conectividade funcional intrínseca, freqüência de pico de oscilação endógena ( por exemplo , freqüência alfa individual) e espessura do crânio e da pele 25 . Considerando o atual corpo de literatura pertencente a TACS, mais estudos combinando TACS com medidas neurais, como neuroimagem, são necessários para estabelecer procedimentos abrangentes para técnicas efetivas de estimulação cerebral.

Aqui, descrevemos uma configuração segura e confiável para experiências que aplicam TACS simultaneamente com fMRI de uma tarefa visual, com foco em aspectos de configuração e execução que produzem tAC sincronizado com sucessoS com aquisição de dados fMRI sem artefatos.

Protocol

Conduza todas as experiências de acordo com as diretrizes do comitê de ética institucional. Para todos os estudos mencionados neste manuscrito, todos os procedimentos foram realizados de acordo com a declaração de Helsínquia e aprovados pelo Comitê de Ética local do Centro Médico Universitário de Göttingen. 1. Estimulação e configuração do computador antes da experiência Configuração do estimulador NOTA: O estimulador utilizado para este experimento fMRI é um sistema compatível com ressonância magnética (MR) especialmente concebido, equipado com uma caixa de filtro interno MR-safe, uma caixa de filtro exterior, resistências de segurança, cabos acoplados e materiais MR-safe. Algumas instruções pertencem especificamente às instruções do fabricante, e estas podem variar ao usar outro estimulador, então tome cuidado para seguir as instruções do equipamento fornecidas pelo fabricante que podem constituir exceções a esta configuração. A Figura 1A mostra o estimuladorComponentes utilizados nesta configuração experimental. Navegue pelo menu do estimulador para programar os parâmetros experimentais desejados (consulte o manual do usuário para obter detalhes). Por exemplo, para uma frequência de estimulação de 10 Hz, programe 10 ciclos para o tempo de aceleração / descida de 1 s, 300 ciclos sinusoidais por 30 s de estimulação, força de corrente igual a 1.000 μA e modo de disparo repetitivo, conforme realizado Experimentos, salvo indicação em contrário. Salve o programa para carregar para cada vez que o experimento for executado posteriormente. Conecte a saída do disparador do computador de apresentação do estímulo ao estimulador usando um cabo BNC. Coloque um cabo de rede local não magnético protegido (LAN) através do tubo de guia de ondas de radiofrequência (RF) do interior da sala do scanner. Para evitar o acoplamento capacitivo ressonante, certifique-se de que o cabo está livre de loops e colocado ao longo da parede da sala, levando à parte traseira do furo do ímã e ao longo do lado direito do scannerG dentro do furo, levando à posição da caixa de filtro interna (veja Figura 1C e nota de segurança no Passo 2.4 em relação à posição do cabo). Fixe o cabo com fita colocada intermitentemente ao longo do comprimento. Carregue o programa de estímulo visual em um computador de apresentação designado que esteja separado do computador de controle do scanner. Conforme ilustrado na Figura 1C , conecte o computador de apresentação à saída do disparador do scanner através de um conversor óptico para elétrico e para um dispositivo de saída ( ou seja , um projetor) que seja colocado em uma caixa blindada ou fora da sala magnética. Use espelhos não magnéticos para direcionar a projeção para uma tela dentro do furo do scanner. 2. Assunto Chegada e Preparação A pré-tela recrutou indivíduos para quaisquer contra-indicações para a varredura de RM ( por exemplo , sem implantes de metal, sem claustrofobia, pré-requisitos de assunto específico da experiência) comoBem como para TACS ( por exemplo , história de convulsões, dores de cabeça crônicas, gravidez) 26 , 27 . Quando o assunto chegar, instrua o assunto sobre os detalhes da experiência do fMRI e descreva a experiência a esperar ( por exemplo , estímulo visual, formigamento ou fosfenos de tACS, instruções de tarefas especiais). Coloque eletrodos de acordo com o sistema 10-20 EEG e a preparação do estimulador. Usando uma fita métrica, mida a distância na cabeça do sujeito do nasion até a inion, e de orelha a orelha, no topo da cabeça. A interseção de ambos os comprimentos dá a posição na cabeça para Cz, de acordo com o sistema 10-20 EEG. Marque o local para Cz no couro cabeludo usando um marcador. Coloque um cap EEG sem eletrodos na cabeça do sujeito, com Cz alinhado à marca no couro cabeludo do sujeito, determine a localização desejada dos eletrodos e marque-os. NÃOE: É importante que todos os experimentadores usem o mesmo sistema de posicionamento para garantir consistência através de todas as experiências; O sistema 10-20 EEG, que é comumente usado em experimentos de estimulação transcraniana, possui diretrizes específicas para manter a colocação precisa de eletrodos 26 , 28 . Usando álcool e almofadas de algodão, limpe o cabelo e a pele em torno dos pontos marcados no couro cabeludo do assunto; Remover óleos e produtos capilares. Espalhe um pouco de gel nos eletrodos de borracha e pressione cada eletrodo firmemente nas posições marcadas e limpas no couro cabeludo do assunto, garantindo o contato completo do eletrodo ao gel condutor com o couro cabeludo com impedância mínima. Usando um cabo LAN protegido sobressalente, conecte as caixas de filtro e os cabos MR-safe ao estimulador e aos eletrodos de borracha, conforme descrito na Figura 1A . Ligue o estimulador e teste a impedância (consulte o usuárioManual para detalhes). Se a impedância não for inferior a 20 kΩ, pressione os eletrodos no couro cabeludo ou adicione o gel eletrodo, conforme necessário, até que esta orientação de impedância seja atendida. Quando a impedância for inferior a 20 kΩ, permita que o estimulador emita corrente por alguns segundos para familiarizar o sujeito com a experiência sensorial. Pergunte ao sujeito sobre a percepção sensorial durante este teste, incluindo se existe sensação de formigamento e pode ser resistida, e extensão ou localização de fosfenos durante a estimulação. Neste ponto, o assunto está preparado para mover para o leito do scanner. Deixando o cabo de eletrodo ligado aos eletrodos de borracha no assunto, desconecte o estimulador, o cabo LAN de reserva e as caixas de filtro externas e internas. Conecte a caixa de filtro externa ao cabo LAN que corre através da guia de ondas para o scanner MR, deixando o cabo LAN tão pouco exposto fora da guia de ondas quanto possível (veja a Figura 1B ). Conecte oEstimulador para a caixa de filtro exterior usando o cabo do estimulador e verifique se o estimulador está conectado à saída do disparador do computador de apresentação. Prepare o assunto dentro do scanner MR. NOTA: A Figura 1C mostra a configuração tACS-fMRI completa durante a experiência. É importante arrumar os cabos e a caixa de filtro interno conforme especificado, com o cabo do eletrodo disposto em um ângulo de aproximadamente 90 ° em relação ao plano do leito do scanner e a caixa de filtro interna que repousa na grade do compartimento do scanner no lado direito do scanner Bore. Negligenciar isso pode danificar o circuito de segurança do cabo do eletrodo; Esta configuração aplica-se tanto a bobinas de RF abertas como fechadas. Depois de garantir que o sujeito esteja livre de materiais magnéticos e pronto para a experiência de MRI, leve o assunto para a sala do scanner. Dê protetores auditivos à placa auditiva, e instrua o sujeito a mentirNo leito do scanner, colocando travesseiros ao redor e sob a cabeça e sob as pernas para o conforto e para reduzir o movimento. Ao colocar os travesseiros atrás da cabeça do sujeito, preste atenção especial para colocar o cabo do eléctrodo de forma plana e em uma posição que seja confortável para que o sujeito se aumente durante a duração da experiência. Dê a caixa do botão de resposta de alarme e MR-safe ao sujeito para segurar, de modo que seja necessário um movimento mínimo para pressionar um botão para responder no experimento. Fixe a bobina da cabeça de RF sobre a cabeça do sujeito com um espelho ligado, de modo que o sujeito possa ver a tela de projeção refletida na orientação correta. Fixar temporariamente a extremidade livre do cabo do eléctrodo proveniente dos eléctrodos de borracha para um lugar na bobina da cabeça, de modo que não atinja quando o leito se está movendo. A Figura 1D mostra a cabeça do sujeito posicionada na bobina da cabeça com travesseiros, espelhos e cabo tACS no lugar bAntes de mover a cama para a bobina da cabeça central para a imagem. A caixa do filtro também é mostrada colocada na grade do leito do scanner, como um exemplo de onde deve estar em relação à bobina da cabeça quando o leito do scanner está na posição de medição. Mova o leito do scanner para a posição de medição. Na extremidade traseira do furo do scanner, conecte o cabo de eletrodo dos eletrodos de borracha à caixa de filtro interna que se conecta ao cabo LAN, conforme descrito na Figura 1C . Para evitar o excesso de movimento durante a digitalização, segure os cabos e a caixa de filtro ao longo da grade do leito do scanner à direita do furo com fita adesiva e sacos de areia. Coloque a tela do projetor na extremidade traseira do furo do scanner. Teste a impedância no estimulador mais uma vez para garantir que todas as conexões entre cabos, caixas de filtro e o estimulador sejam feitas corretamente. 3. MR Scanning and Experiment Antes da digitalização, teste que oO computador de apresentação registra quando o sujeito pressiona os botões de resposta. Adquirir dados anatômicos ponderados em T1 de alta resolução ( por exemplo , tiro tridimensional turbo rápido, tempo de eco (TE): 3.26 ms, tempo de repetição (TR): 2.250 ms, tempo de inversão: 900 ms, ângulo de inclinação 9 °, Resolução isotrópica de 1 x 1 x 1 mm 3 ). Após a aquisição, ajuste o contraste e a janela na MRI anatômica para extremos baixos e altos para detectar visualmente o ruído durante a varredura que pode resultar da configuração do estimulador. Continue monitorando visualmente o ruído simultaneamente com a aquisição de imagem funcional. Inicie o experimento no computador de apresentação, pronto para começar com o gatilho do scanner e comece o estimulador a aguardar o gatilho de saída do computador de apresentação. Deixe o estimulador ligado e conectado ao longo da experiência fMRI para evitar diferenças na relação sinal-ruído temporal (tSNR) entre o estimuladorCondições de ligar e desligar 22 . Inicie a varredura de fMRI ( por exemplo , imagem bidimensional com dois e dois tons de eco de gradiente e eco, TE: 30 ms, TR: 2.000 ms, ângulo de inclinação 70 °, 33 fatias de 3 mm de espessura, sem intervalo entre as fatias em Uma resolução no plano de 3 x 3 mm 2 , 210 volumes por sete minutos de digitalização), o que desencadeia o início do experimento no computador de apresentação. Monitore a exibição do estimulador para garantir que a corrente seja enviada aos momentos desejados ao longo das corridas experimentais. 4. Experimento Conclusão Depois que o experimento for executado e a digitalização estiver concluída, desconecte a caixa de filtro interna do cabo conectado aos eletrodos de borracha antes de mover o leito do scanner, remova o assunto do scanner e remova os eletrodos, deixando o assunto livre para lavar seus cabelos. Desligue o estimulador e ligue-o para recarregar. Limpe os eletrodos de borracha com água para o seu nexT use.

Representative Results

A Figura 2 e a Figura 3 mostram imagens representativas adquiridas para testes de ruído de equipamentos em um sujeito fantasma e humano, respectivamente. Em cada linha, a Figura 2 e a Figura 3 mostram fatias axiais representativas de um volume adquirido ou mapa calculado, rotulado em conformidade acima da linha. A imagem mais à direita em cada linha é uma representação sagital do volume correspondente ou mapa calculado, indicando locais de fatia axial com linhas azuis. Além da primeira linha, que ilustra a colocação do eletrodo em branco, o volume é sobreposto em uma imagem ponderada em T1 em cada figura. Observe que não há distorção ou queda de sinal dos eletrodos nas imagens ponderadas em T1. A segunda linha da Figura 2 mostra os dados representativos de ressonância magnética funcional adquiridos com a configuração tACS no lugar e virouem. No fantasma na Figura 2 , observe que há algum desvio de sinal e distorção devido aos eletrodos, no entanto, a linha 2 da Figura 3 mostra que essas distorções não se estendem para além do couro cabeludo em um assunto. As linhas três e quatro da Figura 2 mostram medições de ruído no volume, que são adquiridas usando os mesmos parâmetros que os dados do fMRI, mas sem um pulso de excitação de RF. As imagens mostram o nível de ruído na sala do scanner e do hardware MR durante a verificação. A linha três é uma medida de ruído com TACS desligado e a linha quatro é uma com tACS. Na quinta e sexta linha da Figura 2 estão os mapas tSNR para corridas funcionais com a configuração TACS e o estimulador desligado e ligado, respectivamente. Os mapas TSNR calculados a partir de dados adquiridos no sujeito humano aparecem na Figura 3, linhas três, com TACS off e quatro, com TACS. Observe que não há diferença visívelFerência em intensidade ao comparar as condições de estimulação. Como demonstramos em um estudo anterior, o equipamento tACS produz cerca de 5% de queda no tSNR em imagens em comparação com as adquiridas sem a configuração do TACS, no entanto, o tSNR deve permanecer estável em condições de estimulação e desligamento 22 . A Figura 4 representa uma série de imagens que demonstram o abandono do sinal que pode ocorrer quando os eletrodos não compatíveis com MR são usados. As fatias de um volume de fMRI adquirido de um sujeito com eletrodos que podem ter algumas contaminações metálicas mostram queda de sinal abaixo do eletrodo colocado grosso sobre o córtex motor primário, como indicado com círculos vermelhos. A Figura 5 mostra os resultados de um experimento testando os efeitos da força atual de TACS Cz-Oz de 16 Hz no sinal BOLD em indivíduos cujos únicos t Pergunte é a fixação central da cruz. Ao longo do experimento, 12 segundos de TACS foram entrelaçados com períodos de não-estimulação variando de 24 a 32 segundos. Em uma ordem pseudo-aleatória, o tACS foi aplicado com uma intensidade de corrente diferente (500 μA, 750 μA, 1000 μA, 1.500 μA) em cada uma das quatro corridas. A Figura 5A mostra as médias relacionadas ao evento do sinal BOLD para clusters estatisticamente significativos, com efeito crescente no sinal BOLD com força de corrente aumentada. Além disso, a Figura 5B mostra os mapas de T-pontuação específicos da força atual, que ilustram a especificidade regional dos efeitos, além de aumentar o efeito espacial com o aumento de força atual. Também vale a pena notar que a atividade BOLD nas regiões frontais foi alterada significativamente, mostrando que as modulações nem sempre estavam diretamente abaixo dos eletrodos. Para detalhes, consulte Cabral-Calderin e colegas 22 . E_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> A Figura 6 mostra resultados representativos de um experimento testando a dependência de freqüência de efeitos de TACS durante uma tarefa de percepção visual. Os indivíduos relataram a direção percebida de uma esfera rotativa biestable. Ao mesmo tempo, o tACS foi aplicado com eletrodos colocados em Cz e Oz em uma das três freqüências de estimulação (10 Hz, 60 Hz ou 80 Hz) em cada uma das três sessões separadas. A Figura 6A ilustra o tempo de experimentação com apresentação visual e períodos TACS entre Blocos de fixação da cruz central. Os mapas de interação de efeito de freqüência e frequência de TACS e os testes pós-hoc de cluster mostram efeitos específicos da frequência no córtex parietal, com diminuição de tACS de 10 Hz e sinal de aumento de 60 Hz ( Figura 6B ). A Figura 6C mostra T-score Mapas de efeitos específicos de 60 Hz tACS que se estendem para além do córtex parietal para incluir algum occipiRegiões frontal e frontal. Para detalhes de experiências e análises, consulte Cabral-Calderin, et al. 22 . Figura 1: Configuração TACS no Scanner. ( A ) TACS Configuração com todos os Elementos Necessários. O estimulador e os cabos estão conectados fora da sala blindada MR. Também são mostrados o cap EEG, a fita métrica e o gel condutor utilizado para o posicionamento dos eletrodos. ( B ) Caixa de filtro externo e estimulador colocados fora do quarto do scanner. O cabo LAN (não visível na figura) vem da sala do scanner através do tubo de guia de ondas RF e se conecta à caixa externa do filtro, com o menor cabo LAN exposto fora da sala do scanner. O estimulador deve ser conectado à caixa de filtro exterior, bem como ao cabo de saída do disparador do computador de apresentação. ( C )Ambiente do scanner com configuração experimental. Representação da configuração do TACS, incluindo o computador de apresentação, o computador do scanner e a saída do disparador e o projetor. ( D ) Posicionamento do Assunto para Experiência. Elementos importantes incluem travesseiros, colocação de cabos, espelho de visão e bobina de cabeça. A caixa do filtro é colocada na grade do leito do scanner como um exemplo de colocação dentro do furo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: Avaliação da qualidade Imagens MR adquiridas de um fantasma. Linha 1: fatias axiais anatômicas de imagem de ponta T1 de alta resolução com suas posições indicadas por linhas azuis em uma fatia sagital à direita (também observada em cada linha seguinte). No plano sagital, as posições dos eletrodos são ilustrativas Classificado em branco. Filas de imagem planas e planas de linha 2: T2 *, com setas magentas que indicam queda de sinal e distorção devido a eletrodos e / ou gel de eletrodo. No plano sagital, o posicionamento do volume correspondente é mostrado como uma sobreposição (também observada em cada linha seguinte). Linha 3: fatias de imagem de ruído adquiridas com parâmetros experimentais de fMRI e sem pulso de excitação de RF enquanto a configuração de TACS está no lugar e ativada, mas não estimulante. Linha 4: imagem sem excitação de RF adquirida com configuração TACS no lugar e estimulador ativado e estimulante a 16 Hz. Linha 5: mapa TSNR calculado a partir de dados adquiridos com a configuração tACS no local e ativado, mas não estimulante. Linha 6: mapa TSNR calculado a partir de dados adquiridos com a configuração tACS no local e estimulando a 16 Hz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig3.jpg "/> Figura 3: Avaliação de qualidade Imagens de RM adquiridas de um Assunto. Linha 1: fatias axiais de imagem anatômica de alta resolução com suas posições indicadas por linhas azuis em uma fatia sagital à direita (como visto em cada linha). As posições do eletrodo são ilustradas em branco na visão sagital. Filas de imagem de eco e planar ponderadas na linha 2: T2 * que não mostram queda de sinal devido a eletrodos e / ou gel de eletrodo. No plano sagital, o posicionamento do volume correspondente é mostrado como uma sobreposição (também observada em cada linha seguinte). Linha 3: mapa TSNR calculado a partir de dados adquiridos com a configuração tACS instalada e ativada, mas não estimulante. Linha 4: mapa TSNR calculado a partir de dados adquiridos com a configuração tACS no local e estimulando a 16 Hz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <p claSs = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figura 4: Saída do sinal devido a um eletrodo contaminado. Fatias de um volume de fMRI adquirido de um sujeito usando um eletrodo contaminado colocado grosso sobre o botão de mão do córtex motor. Os círculos vermelhos indicam regiões abaixo do eletrodo com queda de sinal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: Efeito da força atual na modulação tACS do sinal BOLD. ( A ) Mapas de F-score mostrando o efeito principal da força atual no efeito de TACS de 16 Hz. Um efeito principal significativo da força atual em um rANOVA unidirecional [dentro de Factor: a resistência atual (500, 750, 1.000, 1.500 μA)] é aparente. As parcelas mostram o curso de tempo médio relacionado ao evento do sinal BOLD para os períodos de TACS-on para cada força atual. As regiões sombreadas indicam um erro padrão da média entre os indivíduos. MedialFG = giro frontal medial, IPS = sulco intraparietal, IFG = giro frontal inferior, PrC = giro precentral, L = esquerda, R = direito, * cluster não corrigido para comparações múltiplas. ( B ) Mapas de T-score Exibindo BOLD Activity Changes durante TACS de 16 Hz para cada força atual. Nenhum efeito significativo foi encontrado com 500 μA de TACS. LH = hemisfério esquerdo; RH = hemisfério direito. Essa imagem foi modificada de Cabral-Calderin et al. 29 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Img "src =" / files / ftp_upload / 55866 / 55866fig6.jpg "/> Figura 6: Efeito do tACS no sinal BOLD em uma tarefa de percepção visual. ( A ) Representação esquemática da Experiência. O estímulo visual e os tACS foram aplicados em um projeto de bloco, com 30 s de blocos de tACS on-off ocorrendo durante blocos de 120 seg de apresentação de estímulo visual. Cada freqüência foi testada em uma sessão diferente. SfM = estrutura-de-movimento. ( B ) TACS Condição e efeito de interação de freqüência. Mapas de estatística F que mostram significância no rANOVA de dois sentidos [dentro de fatores: tACS (on, off), freqüência (10 Hz, 60 Hz, 80 Hz)] e estimativas beta para dois grupos representativos no giro pós-central. Linhas contínuas e asteriscos pretos marcam diferenças significativas para comparações pós-hoc para efeitos de interação on-off de TACS de 10 Hz versus 60 Hz e 10 Hz versus 80 Hz, e os asteriscos vermelhos implicam uma diferença significativa para os testes de TACS versus off pós-hoc. PoC = giro postcentral, euPS = sulco intraparietal. ( C ) T-score Mapa de 60 Hz tACS. Diferenças significativas comparando 60 Hz tACS versus versus off. Esta imagem foi reimpressa de Cabral-Calderin et al. 29 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Aqui, descrevemos o procedimento para uma instalação e execução simultânea do experimento tACS-fMRI usando um sistema tACS compatível com MR. Alguns passos neste procedimento exigem atenção especial, especialmente no que diz respeito à configuração do assunto. O estimulador e configuração compatível com MR utilizados nesta experiência tem uma impedância mínima de aproximadamente 12 kΩ com apenas cabos, caixas de filtro e eletrodos e o fabricante recomenda uma impedância mínima de 20 kΩ com eletrodos conectados ao sujeito; Este requisito depende do produto estimulante e do fabricante. Ao aplicar eletrodos ao sujeito, se a impedância for muito alta, podem ser tomadas algumas medidas para reduzir esse valor além de pressionar os eletrodos. Por exemplo, pode ser mais fácil abordar primeiro os locais marcados e limpos no couro cabeludo com gel de eletrodo, incluindo o cabelo, antes de pressionar o eletrodo no couro cabeludo. Isso garantirá a disseminação da corrente no material não condutor; Contudo,Tenha cuidado para limitar a cobertura do gel de eléctrodos a aproximadamente a mesma área de superfície que os eletrodos para espalhar a corrente para a região de estimulação desejada. Preste especial atenção a isso se os eletrodos estejam próximos uns dos outros, porque a transmissão de corrente entre os eletrodos pode ocorrer através do contato excesso do gel do eletrodo. Se o eletrodo estiver na parte de trás da cabeça onde o sujeito será colocado diretamente sobre ele, deve-se ter cuidado especial para colocar travesseiros atrás da cabeça, de modo que o sujeito não fique desconfortável à medida que a experiência continua; Esse desconforto pode não ser um problema inicialmente para o assunto, no entanto a experiência mostra que a dor surge e aumenta com o tempo. Além disso, como em todas as experiências de fMRI, o movimento de assunto apresenta confusões problemáticas, por isso é importante que o assunto seja confortável com todos os cabos e eletrodos no lugar.

O aspecto mais importante da configuração a considerar é o ruído potencialmente introduzido emPara o ambiente MR que pode induzir artefatos e distorções de imagem. Antes do experimento, é prudente testar os artefatos da imagem com a configuração total do tACS no lugar. Um fantasma esférico normal pode ser usado, assegurando eletrodos com gel de eletrodo. É importante fornecer algum caminho para a corrente viajar entre eletrodos, o que pode ser conseguido aplicando uma quantidade generosa de gel eletrodo em um caminho de um eletrodo para o outro. Execute toda a experiência, conforme planejado para o assunto, incluindo variações de parâmetros, como freqüência e corrente. Durante a sessão de digitalização, ajustar o contraste e a janela para extremos no visualizador de imagens no computador de controle do scanner MR permite uma detecção visual mais fácil do ruído. Ao monitorar visualmente o ruído antes e durante a experiência, o ruído pode ocorrer como picos na imagem com alta intensidade, padrões em que o sinal não deve ser medido ou variando a intensidade ao longo do tempo, como exemplos. Adquirir dados fMRI com a excitação de RFN pulso desligado fornece informações sobre o ruído do ambiente do scanner durante a digitalização sem adquirir o sinal de imagem real (veja a Figura 2 ). Este teste de ruído pode ser feito em todas as sessões de digitalização. Se houver variações no ruído, verifique se todos os cabos estão intactos e bem conectados ao estimulador, eletrodos e caixas de filtro. Nenhum cabos deve se sentar em loops. O ruído ou a distorção podem surgir de cabos quebrados, eletrodos com contaminantes metálicos na borracha (apesar de serem vendidos como compatíveis com MR) e conexões defeituosas, entre outras possibilidades. O estimulador é alimentado por bateria para minimizar o ruído elétrico na configuração; Certifique-se de que está totalmente carregado antes de cada experiência e que ele permanece ligado e conectado ao longo da experiência. TSNR em imagens funcionais diminuirá cerca de 5% com o estimulador conectado, no entanto, os valores devem ser estáveis ​​em condições de estimulação 22 . Testes elétricos transcranianos simultâneos – testes fMRI oN cadáveres mostraram que não há artefatos associados à estimulação de corrente alternada, o que é uma vantagem em comparação com a estimulação de corrente direta 30 . Teoricamente, essa falta de artefatos pode ser explicada por uma corrente líquida de zero no momento em que a imagem é adquirida 30 . No entanto, para alguns dos experimentos realizados em nosso laboratório, o tempo de aquisição ou TR não é um múltiplo da freqüência de estimulação. Depois de realizar os testes de ruído mencionados neste protocolo e examinar imagens para artefatos, que não eram visíveis, concluímos que qualquer diferença na corrente líquida de zero é pequena e muito insignificante para induzir artefatos.

Outro ponto crítico para experiências bem-sucedidas é que o computador de apresentação recebe a saída de gatilho do scanner e que o estimulador recebe o gatilho do computador de apresentação. Antes do experimento, programe o design e o estímulo de estímulo visual usando oSoftware desejado. Este programa deve usar gatilhos para sincronizar a apresentação do estímulo visual com o scanner MR eo estimulador; Ele inicia com um gatilho que é emitido pelo scanner MR e também envia disparadores de saída para o estimulador em tempos de estimulação desejados. Uma maneira fácil de verificar a comunicação do disparador durante a configuração é usar um osciloscópio conectado com um cabo BNC para a saída do disparador do scanner, bem como a saída do computador de apresentação. Na nossa configuração, o scanner MR emite um gatilho (alternar) para cada volume funcional adquirido e o computador de apresentação emite um sinal conforme programado através do software de apresentação. A análise de um experimento bem projetado reside criticamente na estimulação corretamente cronometrada.

Algumas etapas deste experimento podem ser adaptadas conforme necessário para os requisitos de configuração de laboratório. Por exemplo, esta configuração descreve o uso de um projetor e espelhos para apresentação de estímulo visual, no entanto, o estímulo visualO dispositivo Tput pode ser óculos de exibição de cristal líquido MR-safe ou um monitor MR-safe, escolhido com base em experiências e preferências ou limitações de laboratório. Além disso, os parâmetros de varredura de ressonância magnética devem ser adaptados ao experimento. Vale ressaltar que deve ser dada atenção à escolha apropriada de controle experimental para TACS, embora não exista uma resposta direta. Uma pequena estimulação simulada de 30 segundos pode imitar a somatossensação induzida por TACS que diminui eventualmente com estimulação prolongada; No entanto, alguns estudos mostram que mesmo períodos curtos de estimulação podem induzir o arrasto oscilante 12 . Outro controle possível que pode ser usado para tACS é estimular o uso de uma freqüência não efetiva, ou, em outras palavras, uma freqüência diferente da de interesse. A exceção aqui seria que a somatosensação e a percepção de fosfeno variassem de acordo com a freqüência de estimulação 31 . Finalmente, sobre experiências subjetivas de stimOs fosfenos induzidos por TACS variam em todos os indivíduos, de modo a melhor capturar a variabilidade do sujeito, considerar usar um sistema de classificação detalhado para a percepção do fosfeno e passar algum tempo com o assunto descrevendo as várias características dos fosfenos ( por exemplo , localização, intensidade) que Pode surgir para que o sujeito possa avaliar atentamente sua experiência durante a estimulação 32 , 33 .

Os resultados representativos aqui indicados sugerem que os efeitos de TACS são dependentes de corrente, dependentes de freqüência e que a modulação não está limitada às regiões abaixo dos eletrodos, mas se estende a regiões distantes, provavelmente conectadas funcionalmente. Uma limitação desta técnica é a resolução temporal do fMRI, bem como da resposta BOLD. A aquisição de dados e a resposta hemodinâmica não são tão rápidas como a freqüência de estimulação ou a atividade elétrica do cérebro, de modo que as interações diretas com a freqüênciaOs efeitos específicos do tACS não podem ser medidos. No entanto, dado que a maior parte da literatura científica dos efeitos de TACS é de estudos comportamentais, e que o TACS afeta obviamente um sistema neural inteiro e complicado, é claro que as experiências tACS-fMRI simultâneas têm muito a oferecer para nos informar sobre os efeitos de TACS em o cérebro. EEG e MEG oferecem informações sobre o nível de resoluções temporais que combinam com os da atividade neural. No entanto, EEG e MEG sofrem de resolução espacial e limitações de profundidade cortical ou técnicas de reconstrução de fontes intensivas em computação. A freqüência de estimulação e os artefatos harmônicos que ultrapassam os sinais cerebrais de interesse registrados nas mesmas freqüências complicam ainda mais as análises EEG e MEG. Soluções alternativas inovadoras foram aplicadas para enfrentar alguns desses desafios. Helfrich et al. Empregou uma nova técnica para remover o artefato tACS de dados de EEG usando uma subtração de modelo de artefato e análise de componente principal 15 </sUp>. Eles mostraram que o tACS de 10 Hz aplicou parieto-occipitalmente aumenta a atividade alfa nos córtices parietal e occipital e induz a sincronia nos osciladores corticais que funcionam em freqüências intrínsecas semelhantes. Witkowski e colegas aplicaram tACS modulados em amplitude e criaram mapas corticais baseados em MEG de oscilações cerebrais arrastadas 34 . Com o objetivo de aplicar TACS em pesquisa para uma melhor compreensão da função cerebral normal e anormal e, eventualmente, clinicamente para diagnóstico ou terapêutica, os TACS devem ser combinados separadamente com EEG, MEG e fMRI para estabelecer, de forma complementar, as melhores práticas para os efeitos desejados específicos que podem ser adaptados Especificamente para indivíduos. Quando tais práticas são estabelecidas, pesquisas efetivas podem ser realizadas para entender melhor a função das oscilações neurais ( por exemplo , definindo claramente papéis funcionais e relações de diferentes faixas de freqüência) e sua modulação com tACS (Por exemplo, se o mecanismo ocorre através de arrastamento ou mudanças de plástico 35 ).

Considerando as orientações futuras, a configuração descrita aqui é adaptada para experimentos de fMRI que estudam percepção ou cognição, como o estudo estrutura-de-movimento descrito aqui e outros demonstraram. Cabral-Calderin e colegas mostraram que a ativação em regiões do córtex occipital dependia da tarefa e da freqüência de tACS em uma experiência de exibição de vídeo versus teste de dedo 22 . Num estudo de fMRI simultâneo com estado de repouso de tACS, Cabral-Calderin e colegas mostraram efeitos dependentes da frequência de tACS em conectividade funcional intrínseca e redes de estado de repouso 23 . Vosskuhl et al . TACS combinados e fMRI para mostrar BOLD diminuir durante uma tarefa de vigilância visual em estimulação de frequência alfa individual 24 . Alekseichuk e colegas mostraram que os efeitos imediatos de 10 Hz tACS modulam o sinal BOLD durante uma percepção visual de anéis e cunhas quadriciclos, indicando uma alteração no metabolismo neural de uma tarefa de percepção passiva 36 . Esses estudos estabelecem o cenário para estudos tACS-fMRI simultâneos para investigar os mecanismos funcionais em vários níveis, desde o metabolismo até a cognição. Em uma fase tão precoce no uso de tACS para pesquisa de tradução, há muito potencial para experiências tACS-fMRI simultâneas para agregar à compreensão da técnica de estimulação e contribuição de oscilações para funções cognitivas.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos a Ilona Pfahlert e a Britta Perl por assistência técnica durante experimentos de imagem funcional e Severin Heumüller por excelente suporte informático. Este trabalho foi apoiado pela Fundação Herman e Lilly Schilling e pelo Centro de Microscopia de Nanoescala e Fisiologia Molecular do Cérebro (CNMPB).

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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