Одновременная транскраниальная стимуляция переменного тока и функциональная магнитно-резонансная томография

Здесь мы описали процедуру для одновременной установки и выполнения эксперимента tACS-fMRI с использованием MR-совместимой системы tACS. Некоторые шаги в этой процедуре требуют особого внимания, особенно в отношении настройки объекта. MR-совместимый стимулятор и установка, используемые в этом эксперименте, имеют минимальный импеданс приблизительно 12 кОм только с кабелями, фильтрами и электродами, а производитель рекомендует минимум 20 кОм с электродами, подключенными к объекту; Это требование зависит от продукта и производителя стимулятора. При применении электродов к объекту, если импеданс слишком высок, можно предпринять некоторые шаги, чтобы уменьшить это значение, кроме нажатия на электроды. Например, может быть проще сначала покрыть отмеченные и очищенные места на скальпе электродным гелем, включая волосы, перед нажатием электрода на кожу головы. Это обеспечит распространение тока по непроводящему материалу; Однако,Будьте осторожны, чтобы ограничить покрытие электрода гелем примерно той же площадью поверхности, что и электроды, чтобы направлять ток в желаемую область стимуляции. Обратите особое внимание на это, если электроды находятся близко друг к другу, поскольку текущее шунтирование между электродами может происходить через контакт с электродом с избытком. Если электрод находится на задней части головы, где объект будет укладываться непосредственно на него, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы поместить подушки за голову так, чтобы испытуемый не становился неудобным, поскольку эксперимент продолжается; Этот дискомфорт не может быть проблемой первоначально для субъекта, однако опыт показывает, что боль возникает и увеличивается со временем. Кроме того, как и во всех экспериментах с МРТ, предметное движение представляет собой проблематичные путаницы, поэтому важно, чтобы испытуемый был удобен со всеми кабелями и электродами.

Наиболее важным аспектом рассматриваемой установки является шум, потенциально введенный вК среде MR, которая может вызывать искажения изображения и искажения. Перед экспериментом разумно тестировать артефакты изображений со всей установкой tACS. Можно использовать нормальный сферический фантом, закрепляющий электроды с электродным гелем. Важно обеспечить некоторый способ прохождения тока между электродами, что может быть достигнуто применением большого количества электродного геля по пути от одного электрода к другому. Запустите весь эксперимент, как и планировалось для объекта, включая изменения параметров, такие как частота и ток. Во время сеанса сканирования регулировка контрастности и окон в крайних точках в средстве просмотра изображений на компьютере управления сканером MR позволяет упростить визуальное обнаружение шума. При визуальном мониторинге шума до и во время эксперимента шум может возникать как пики изображения с высокой интенсивностью, образцы, где сигнал не следует измерять или изменять интенсивность во времени, в качестве примеров. Приобретение данных fMRI с возбуждением RFN импульс отключается, дает информацию о шуме среды сканера во время сканирования без получения фактического сигнала изображения (см . Рис. 2 ). Этот тест может быть выполнен в каждом сеансе сканирования. Если есть изменения в шуме, убедитесь, что все кабели не повреждены и хорошо подключены к стимулятору, электродам и фильтрам. Никакие кабели не должны сидеть в петлях. Шум или искажение могут возникать из-за сломанных кабелей, электродов с металлическими загрязнителями в каучуке (несмотря на то, что они продаются как совместимые с MR), а также из-за неправильных соединений, среди других возможностей. Стимулятор управляется батареей, чтобы минимизировать электрический шум в настройке; Убедитесь, что он полностью заряжен перед каждым экспериментом и что он остается включенным и подключается на протяжении всего эксперимента. TSNR в функциональных изображениях будет уменьшаться примерно на 5% при подключенном стимуляторе, однако значения должны быть стабильными в условиях стимуляции ²² . Одновременная транскраниальная электростимуляция-МРТ-тесты oN трупов показали, что нет никаких артефактов, связанных с стимуляцией переменного тока, что является преимуществом по сравнению с стимуляцией ³⁰ постоянного тока. Теоретически, это отсутствие артефактов может быть объяснено чистым током нуля во время получения изображения ³⁰ . Однако для некоторых экспериментов, проведенных в нашей лаборатории, время получения или TR не кратно частоте стимуляции. После проведения шумовых испытаний, упомянутых в этом протоколе, и изучения изображений для артефактов, которые не были видны, мы пришли к выводу, что любая разница в чистом токе от нуля мала и слишком незначительна, чтобы вызвать артефакты.

Еще одна критическая точка для успешных экспериментов заключается в том, что компьютер представления получает триггерный выход сканера и что стимулятор получает триггер с компьютера презентации. Перед экспериментом запрограммируйте дизайн визуального стимула и время, используяЖелаемое программное обеспечение. Эта программа должна использовать триггеры для синхронизации визуального представления стимула с МР-сканером и стимулятором; Он запускается с триггером, который выводится из МР-сканера, а также посылает выходные триггеры на стимулятор при желаемых временах стимуляции. Простой способ проверить связь триггера во время установки – использовать осциллограф, подключенный с помощью BNC-кабеля к выходу триггера сканера, а также выход компьютера презентации. В нашей настройке MR-сканер выводит триггер (переключатель) для каждого приобретенного функционального объема, а компьютер представления выводит сигнал, запрограммированный через программное обеспечение для презентации. Анализ хорошо спроектированного эксперимента критически относится к правильно рассчитанной стимуляции.

Некоторые этапы этого эксперимента могут быть адаптированы по мере необходимости для требований к лабораторным установкам. Например, эта настройка описывает использование проектора и зеркал для визуального представления стимула, однако визуальный стимул ouУстройство tput может быть безопасным для пользователя жидкокристаллическим дисплеем или MR-безопасным монитором, выбранным на основе экспериментальных или лабораторных предпочтений или ограничений. Кроме того, параметры МРТ-сканирования должны быть адаптированы к эксперименту. Стоит отметить, что следует обратить внимание на соответствующий выбор экспериментального контроля для tACS, хотя прямого ответа не существует. Кратковременная стимуляция 30 секунд может имитировать соматосенсию, вызванную tACS, которая в конечном итоге уменьшает длительную стимуляцию; Однако некоторые исследования показывают, что даже короткие периоды стимуляции могут вызвать колебательное увлечение ¹² . Другим возможным контролем, который можно использовать для tACS, является стимулирование использования неэффективной частоты или, другими словами, различной частоты от интереса. Исключением здесь было бы то, что соматочувствительность и восприятие фосфена варьируются в зависимости от частоты стимуляции ³¹ . Наконец, в отношении субъективного опыта стимулаЧто для лучшего восприятия субъективной изменчивости учитывают, что tASS-индуцированные фосфены различаются, поэтому рассмотрим возможность использования детальной системы оценки восприятия фосфена и проведем некоторое время с субъектом, описывающим различные особенности фосфенов ( например , местоположение, интенсивность), которые Может возникнуть, чтобы субъект мог внимательно оценить свой опыт во время стимуляции ^{32 , 33} .

Представленные здесь результаты показывают, что эффекты tACS зависят от тока, зависят от частоты и что модуляция не ограничена областями ниже электродов, но распространяется на отдаленные, вероятно, функционально связанные области. Одним из ограничений этого метода является временное разрешение fMRI, а также ответ BOLD. Сбор данных и гемодинамический ответ не так быстро, как частота стимуляции или электрическая активность мозга, поэтому прямые взаимодействия с частотой-специфические эффекты tACS не могут быть измерены. Однако, учитывая, что наибольшая доля научной литературы эффектов tACS связана с поведенческими исследованиями и что tACS, очевидно, влияет на всю сложную нейронную систему, ясно, что одновременные эксперименты tACS-fMRI могут многое предложить для информирования нас о tACS-эффектах в мозг. ЭЭГ и МЭГ предлагают информацию о уровне временных разрешений, которые соответствуют темпам нейронной активности. Тем не менее, ЭЭГ и МЭГ страдают от пространственного разрешения и ограничений на глубину коры или в вычислительных интенсивностях восстановления источников. Частота стимуляции и гармонические артефакты, превосходящие интересные сигналы мозга, записанные на тех же частотах, еще более усложняют анализ ЭЭГ и МЭГ. Для решения некоторых из этих проблем были применены новаторские обходные пути. Helfrich et al. Использовал новый метод удаления артефакта tACS из данных ЭЭГ с использованием вычитания шаблона артефактов и анализа основных компонентов ¹⁵ </sвверх>. Они показали, что 10 Гц tACS применяют париетально-затылочно, увеличивая альфа-активность в теменной и затылочной коре и индуцирует синхронность в кортикальных осцилляторах, функционирующих с одинаковыми внутренними частотами. Витковский и его коллеги применяли амплитудно-модулированные tACS и успешно создавали кортикальные карты захваченных мозговых колебаний на MEG ³⁴ . С целью применения tACS в исследованиях для лучшего понимания нормальной и аномальной функции мозга и в конечном итоге клинически для диагностики или терапии, tACS следует отдельно комбинировать с EEG, MEG и fMRI, чтобы дополнительно установить передовые методы для конкретных желаемых эффектов, которые могут быть адаптированы Особенно для отдельных лиц. Когда такая практика будет установлена, могут быть проведены эффективные исследования для лучшего понимания функции нейронных колебаний ( например , четкого определения функциональных ролей и отношений разных полос частот) и их модуляции с tACS (Например, происходит ли механизм посредством увлечения или пластических изменений ³⁵ ).

Рассматривая будущие направления, описанная здесь установка приспособлена для экспериментов с МРТ, изучающих восприятие или познание, как продемонстрировали описанное здесь исследование структуры и движения, и другие. Кабрал-Кальдерин и его коллеги показали, что активация в областях затылочной коры зависит от частоты задачи и частоты tACS в эксперименте ²² по наблюдению за просмотром видео. В одновременном исследовании fMRI tACS-покоящегося состояния, Кабрал-Кальдерин и его коллеги показали частотно-зависимые эффекты tACS на собственные функциональные соединения и сети состояний покоя ²³ . Vosskuhl et al . Комбинированные tACS и fMRI, чтобы показать уменьшение BOLD во время задачи визуальной бдительности при индивидуальной стимуляции альфа-частоты ²⁴ . Алексей и его коллеги показали, что непосредственные последствия 10 Гц tACS модулируют сигнал BOLD во время визуального восприятия клетчатых колец и клиньев, что указывает на изменение нервного метаболизма задачи пассивного восприятия ³⁶ . Эти исследования создали основу для одновременных исследований tACS-fMRI для исследования функциональных механизмов на многих уровнях, от метаболизма до познания. На таком раннем этапе использования tACS для трансляционных исследований существует большой потенциал для одновременных экспериментов tACS-fMRI, чтобы добавить к пониманию как метода стимуляции, так и вклада колебаний в когнитивные функции.