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Neuroscience

Estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS) para mejorar la memoria

Published: September 18, 2021
doi:
10.3791/62681
, ,
1Institute for Medical Research, Human Neuroscience Group,University of Belgrade, 2Faculty of Philosophy, Institute of Psychology,University of Belgrade

Summary

Se presenta un protocolo para la mejora de la memoria mediante el uso de estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS) dirigida a las cortezas parietales prefrontales y posteriores dorsolaterales, como ganglios corticales centrales dentro de la red hipocampo-cortical. El protocolo ha sido bien evaluado en estudios de participantes sanos y también es aplicable a la investigación del envejecimiento y la demencia.

Abstract

La mejora de la memoria es uno de los grandes retos en neurociencia cognitiva y neurorrehabilitación. Entre las diversas técnicas utilizadas para mejorar la memoria, la estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS) está emergiendo como una herramienta especialmente prometedora para mejorar las funciones de la memoria de una manera no invasiva. Aquí, presentamos un protocolo tDCS que se puede aplicar para la mejora de la memoria en estudios de participantes sanos, así como en la investigación del envejecimiento y la demencia. El protocolo utiliza corriente anodal constante débil para estimular objetivos corticales dentro de la red funcional cortico-hipocampal involucrada en procesos de memoria. El electrodo objetivo se coloca en la corteza parietal posterior (PPC) o en la corteza prefrontal dorsolateral (DLPFC), mientras que el electrodo de retorno se coloca extracranualmente (es decir, en la mejilla contralateral). Además, describimos un método más avanzado de tDCS oscilatorio, imitando un ritmo cerebral natural para promover las funciones de memoria dependientes del hipocampo, que se pueden aplicar de manera personalizada y no personalizada. Presentamos resultados ilustrativos de mejoría asociativa y de la memoria de trabajo después de sesiones únicas de tDCS (20 minutos) en las que se utilizaron los montajes de electrodos descritos con intensidades de corriente entre 1,5 mA y 1,8 mA. Finalmente, discutimos pasos cruciales en el protocolo y las decisiones metodológicas que se deben tomar al diseñar un estudio tDCS sobre la memoria.

Introduction

La memoria juega un papel vital en el funcionamiento diario, ya que permite recordar información sobre personas y lugares, recordar eventos pasados, aprender nuevos hechos y habilidades, así como hacer juicios y decisiones. Aquí nos centramos en dos tipos de memoria: memoria de trabajo (WM) y memoria asociativa (AM). WM nos proporciona la capacidad de mantener y almacenar temporalmente información para el procesamiento cognitivo continuo1, mientras que AM nos permite recordar múltiples piezas de experiencia o información unidas. Por lo tanto, estos dos tipos de memoria subrayan casi todas las actividades diarias. Desafortunadamente, la memoria es una de las funciones más vulnerables, ya que disminuye con el envejecimiento normal, así como debido a varios estados y condiciones patológicas. Tanto el deterioro de WM como el de AM son prominentes en el deterioro cognitivo leve2,3 y la demencia4,5, así como en el envejecimiento normal6,7. Dado que los déficits de memoria se asocian con un alto nivel de carga de enfermedad8,9 y afectan significativamente la calidad de vida10,11,12,13, existe una creciente necesidad de enfoques novedosos para la prevención y el tratamiento de la disminución de la memoria.

La estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS) es una herramienta prometedora para abordar la disminución de la memoria14,15,16 y obtener una mejor comprensión de las funciones cerebrales en general17. tDCS es una técnica de estimulación cerebral no invasiva que utiliza corrientes eléctricas débiles (generalmente entre 1 mA y 2 mA) para modular la actividad cerebral al afectar la excitabilidad de la membrana neuronal. Los efectos de la tDCS dependen de la polaridad, de modo que la estimulación anodal aumenta mientras que la catodal disminuye la excitabilidad neuronal. A saber, la tDCS anodal aumenta la probabilidad de que los potenciales de acción se disparen a través de la despolarización de las membranas neuronales, facilitando así la actividad cerebral espontánea bajo el ánodo18. Además, se demuestra que el efecto del aumento de la activación no permanece localizado, sino que tiende a extenderse a otras áreas funcionalmente conectadas del sistema nervioso central. Por lo tanto, se espera que la tDCS anodal promueva funciones cognitivas que dependen de regiones cerebrales específicas y áreas cerebrales funcionalmente interconectadas, mientras que se espera que la tDCS catodal tenga el efecto contrario.

La tDCS tiene varias ventajas sobre otras técnicas de estimulación cerebral: (1) la tDCS es segura, es decir, no plantea riesgos para la salud y no produce ningún cambio estructural o funcional negativo a corto o largo plazo19; (2) la tDCS se caracteriza por una mayor tolerabilidad entre las técnicas de estimulación cerebral, ya que causa molestias mínimas a los participantes en forma de sensaciones leves de hormigueo y picazón bajo los electrodos estimulantes20; (3) tDCS es rentable: el precio de los dispositivos y la aplicación de tDCS son de diez a cien veces más bajos que otras opciones de tratamiento, lo que lo hace atractivo para los pacientes y el sistema de salud; (4) La tDCS es fácil de usar y, por lo tanto, tiene un alto potencial para aplicarse incluso en entornos domiciliados, lo que puede conducir a un mayor cumplimiento de los pacientes y a un menor costo para el personal médico y las instalaciones.

Los principales desafíos para el uso de tDCS para la mejora de la memoria son encontrar el montaje óptimo de electrodos y el protocolo de estimulación que producirá efectos confiables en la memoria. Aquí utilizamos el término montaje de electrodos para referirnos a la configuración y las posiciones de los electrodos (es decir, la colocación del electrodo objetivo y de referencia (retorno)). Debido a la naturaleza de los campos eléctricos, el electrodo de referencia (retorno) no es neutro, tiene la polaridad opuesta al electrodo objetivo y, por lo tanto, también puede ejercer efectos biológicos (neuromoduladores) en el tejido neural subyacente. Por lo tanto, la elección cuidadosa del electrodo de referencia es esencial para evitar efectos adicionales no deseados de la estimulación.

Cuando se utiliza el término protocolo de estimulación, nos referimos a los parámetros de tDCS, como la duración y la intensidad de la corriente que se aplica, así como la forma en que la intensidad de la corriente cambia con el tiempo (es decir, si la intensidad es constante a lo largo de la estimulación o cambia después de una forma de onda sinusoidal con cierta amplitud y frecuencia). Se pueden aplicar diferentes protocolos de estimulación utilizando el mismo montaje de electrodos, y el mismo protocolo se puede utilizar en diferentes montajes.

Para optimizar el montaje de electrodos, observamos las áreas cerebrales relevantes para la función y cómo los campos eléctricos inducidos por varias posiciones de los electrodos afectarían esas áreas cerebrales y, en consecuencia, las funciones cognitivas. Varias estructuras corticales y subcorticales diferentes juegan un papel importante en las funciones de la memoria, incluidas las áreas de la corteza frontal, temporal y parietal. A saber, WM está respaldado por una red neuronal generalizada que incluye corteza prefrontal lateral ventral (VLPFC) y dorsolateral (VLPFC), cortezas motoras premotoras y suplementarias, así como corteza parietal posterior (PPC)21. Para la AM y la memoria episódica en general, las estructuras dentro del lóbulo temporal medial son esenciales22. Sin embargo, las áreas asociativas de las cortezas parietal, frontal y temporal, con sus vías convergentes al hipocampo también juegan un papel importante. Debido a su posición anatómica, el hipocampo no se puede estimular directamente utilizando tDCS, y por lo tanto la mejora de las funciones de memoria dependientes del hipocampo se realiza utilizando los objetivos corticales con alta conectividad funcional al hipocampo, como la corteza parietal posterior. Por estas razones, DLPFC y PPC se utilizan con mayor frecuencia como objetivos de estimulación para mejorar la memoria. El posicionamiento de los electrodos puede refinarse aún más en función del modelado de flujo de corriente23 y validarse en estudios que combinan tDCS con técnicas de neuroimagen24.

El protocolo de estimulación más habitual es una corriente anodal constante de 1-2 mA que dura entre 10-30 minutos. El mecanismo asumido detrás de este protocolo es que el electrodo con una carga positiva aumentará la excitabilidad del tejido cortical subyacente, lo que resultará en un mejor rendimiento de la memoria posterior. A diferencia de la tDCS anodal constante, donde la intensidad de corriente permanece igual durante todo el período de estimulación, en el protocolo tDCS oscilatorio la intensidad de la corriente fluctúa a la frecuencia dada alrededor de un valor establecido. Por lo tanto, este tipo de protocolo modula no solo la excitabilidad, sino que también arrastra las oscilaciones neuronales de las áreas cerebrales relevantes. Es importante tener en cuenta que tanto para tDCS constante como oscilatorio, los electrodos conservan la misma polaridad de corriente durante toda la duración de la estimulación.

Aquí presentamos montajes de tDCS que se dirigen a nodos dentro de la red fronto-parieto-hipocampo para promover la memoria, tanto WM como AM: específicamente, dos montajes de electrodos con el electrodo objetivo sobre DLPFC izquierdo / derecho o PPC izquierdo / derecho. Además del protocolo tDCS anodal constante, esbozamos un protocolo tDCS oscilatorio theta.

Diseño del estudio
Antes de proporcionar una guía detallada sobre cómo usar tDCS para mejorar la memoria, describiremos algunas propiedades esenciales del diseño experimental que es importante considerar al planificar un estudio de tDCS sobre la memoria.

Control simulado
Para evaluar los efectos de la tDCS sobre la memoria, el estudio debe ser controlado simuladamente. Esto implica que en una de las condiciones experimentales el protocolo se asemeja a una sesión de estimulación real, pero no se da ningún tratamiento. Esta sesión falsa o simulada sirve como punto de referencia para comparar el rendimiento siguiendo tDCS real y hacer inferencias sobre su efectividad. Comúnmente, en el protocolo simulado, la corriente se aplica solo durante un breve período, generalmente hasta 60 segundos al principio y al final de la estimulación simulada como un aumento seguido de una rampa descendente inmediata (es decir, desvanecimiento / desvanecimiento, hasta 30 segundos cada uno). De esta manera se asegura que la duración de la estimulación es insuficiente para producir efectos conductuales o fisiológicos. Dado que las sensaciones locales de la piel / cuero cabelludo suelen ser más pronunciadas al principio y al final de la estimulación (debido a los cambios en la intensidad actual), las sensaciones inducidas en todos los protocolos son comparables y difíciles de distinguir25. De esta manera, el participante queda cegado sobre si la estimulación es real o no, lo cual es especialmente importante en los diseños dentro del sujeto.

Además del control simulado, para evaluar la especificidad de los efectos de los protocolos oscilatorios, también es recomendable tener una condición de control activo. Por ejemplo, el control activo para el protocolo oscilatorio puede ser la estimulación anodal constante de la misma intensidad26,27,o la estimulación oscilatoria en diferentes frecuencias, por ejemplo, theta vs gamma28.

Diseño dentro o entre sujetos.
En el diseño dentro de los sujetos, cada participante se somete a tDCS real y simulado, mientras que en el diseño entre sujetos un grupo de participantes recibe tDCS real y el otro grupo recibe tDCS simulado. La principal ventaja del diseño dentro del sujeto es un mejor control de los factores de confusión específicos del sujeto. Es decir, las diferencias individuales en anatomía y habilidades cognitivas se controlan mejor para cuando cada participante se compara con su yo. Sin embargo, dado que el diseño dentro del sujeto debe aplicarse de manera cruzada (es decir, la mitad de los participantes reciben tDCS real en la primera sesión y simulación en la segunda sesión, mientras que la otra mitad de los participantes reciben tDCS simulada primero y tDCS real segundo), este diseño puede no ser óptimo para estudios clínicos y de capacitación, así como para estudios que involucran varias sesiones de tDCS durante días consecutivos. porque el diseño cruzado puede dar lugar a líneas de base desiguales entre los brazos cruzados. Por lo tanto, el diseño dentro del sujeto es el más adecuado cuando se evalúan los efectos conductuales o fisiológicos de una sola sesión de tDCS, y cuando las líneas de base desiguales no se consideran un problema para la hipótesis de investigación. En el diseño dentro del sujeto que evalúa los efectos de una sola sesión de tDCS, es una buena práctica mantener 7 días entre la sesión de tDCS real y la sesión simulada de tDCS para evitar efectos de arrastre (sin embargo, algunos estudios sugieren que los períodos de lavado aún más cortos no afectan significativamente los resultados29,30) y utilizar formas paralelas de tareas de memoria en orden contrabalanceado para minimizar los efectos de entrenamiento y aprendizaje entre sesiones.

Cuando se utiliza el diseño entre sujetos, el grupo de control debe ser cuidadosamente emparejado para el rendimiento inicial, así como otras características relevantes que se sabe que son relevantes para la efectividad de la tDCS. La asignación aleatoria de grupos puede no ser el mejor enfoque en tamaños de muestra pequeños (por ejemplo, <100), ya que puede conducir a una coincidencia subóptima. En cualquier caso, el rendimiento de referencia debe tenerse en cuenta en el análisis estadístico.

Tamaño de la muestra.
Una de las preguntas frecuentes es “cuántos participantes se necesitan para detectar los efectos de la tDCS”. La respuesta a esta pregunta depende de varios aspectos del estudio, incluido el diseño experimental, los tamaños de los efectos esperados, el tipo de análisis estadístico, etc. Los tamaños de muestra en los experimentos de estimulación cerebral a menudo son demasiado pequeños, y se estima que los estudios en este campo pierden alrededor del 50% de los verdaderos resultados positivos porque tienen poca potencia31. El análisis de potencia permite determinar el tamaño de muestra adecuado para cada experimento específico en función del diseño del estudio y el tamaño del efecto esperado para el análisis estadístico planificado. El análisis de potencia se puede realizar en entorno R o utilizando software especializado libre como G*Power32,y siempre debe realizarse a priori (es decir, antes del experimento). La potencia debe establecerse en >.80 (idealmente .95) y el tamaño del efecto esperado en las tareas de memoria después de una sola sesión de tDCS suele estar entre .15-.20 (η2),es decir, Cohen f 0.42-0.50. Por lo tanto, generalmente se necesita inscribir a 20-30 participantes en total para el experimento dentro del sujeto y 30-40 participantes por grupo para el estudio entre sujetos, para lograr un poder satisfactorio y, por lo tanto, disminuir el error de tipo II. Sin embargo, el tamaño de la muestra depende del número de otros factores, incluido el análisis planificado y la sensibilidad de las medidas de comportamiento que se utilizan. Por lo tanto, idealmente, uno ejecutaría un experimento inicial para comprender los tamaños de efecto para el diseño específico y usar esos datos como entrada para el análisis de potencia. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la ejecución de un experimento piloto en solo unos pocos participantes conducirá a estimaciones defectuosas y poco confiables de los tamaños del efecto. Por lo tanto, si los recursos son limitados, es mejor confiar en los estudios previos con resultados comparables y adoptar un enfoque ligeramente más conservador, es decir, estimando tamaños de efecto algo más pequeños que los informados en la literatura.

Medidas de resultado
Para evaluar la efectividad de la tDCS en la memoria, es necesario seleccionar tareas de comportamiento adecuadas. De hecho, la elección de la tarea de memoria es uno de los aspectos cruciales del diseño del estudio, porque la capacidad de detectar el efecto tDCS depende directamente de la sensibilidad de la tarea. El desafío aquí es que la mayoría de las herramientas estandarizadas de evaluación de la memoria o las tareas neuropsicológicas clásicas pueden no ser lo suficientemente sensibles como para detectar los efectos de la tDCS en poblaciones específicas. Además, la mayoría de las tareas estandarizadas no están disponibles en dos o más formas paralelas y, por lo tanto, no se pueden utilizar en diseños dentro de los sujetos. Por esa razón, la mayoría de los estudios de memoria tDCS utilizan tareas de compilación personalizada. Al diseñar o seleccionar la medida de resultado, uno debe asegurarse de que la tarea sea: (1) medida focal / selectiva de la función de memoria de interés; (2) sensible (es decir, que la escala es lo suficientemente fina como para detectar incluso pequeños cambios); (3) desafiante para los participantes (es decir, que la dificultad de la tarea es suficiente y, por lo tanto, evitar los efectos de celling); (4) confiable (es decir, que el error de medición se minimice tanto como sea posible). Por lo tanto, se deben utilizar formas de tareas de memoria estrictamente paralelas validadas empíricamente, que tengan un número suficiente de ensayos, tanto para garantizar la sensibilidad de la medida como para maximizar su fiabilidad. Idealmente, las tareas deben probarse previamente en un grupo muestreado de la misma población que los participantes del experimento para garantizar que no se pueda lograr el máximo rendimiento y que los formularios de tareas tengan índices iguales de dificultad. Finalmente, es mejor utilizar tareas computarizadas siempre que sea posible, ya que permiten una duración controlada y un tiempo preciso. De esta manera, los investigadores pueden asegurarse de que todos los participantes se sometan a una evaluación de la memoria al mismo tiempo con respecto al momento de la estimulación (ya sea durante o después de la tDCS). La duración de cada tarea o bloque de tareas no debe ser superior a 10 minutos, para evitar la fatiga y la fluctuación en los niveles de atención; la evaluación cognitiva no debe durar más de 90 minutos en total (incluidas las tareas tanto durante como después de la tDCS).

Protocol

Este procedimiento ha sido aprobado por el Comité de Ética Institucional y está en consonancia con la Declaración de Helsinki y las directrices para la investigación en humanos. 1. Materiales NOTA: Para cada sesión de tDCS prepare los siguientes materiales (Figura 1). Obtenga un dispositivo tDCS: use solo un dispositivo tDCS accionado por batería o un dispositivo tDCS aislado ópticamente conectado a la red. El dispositivo debe funcionar como un estimulador de corriente constante con una salida máxima limitada preferiblemente a unos pocos miliamperios. El dispositivo debe tener aprobación regulatoria para uso humano. Obtenga electrodos de goma: use electrodos de forma cuadrada de 5 cm x 5 cm o electrodos de forma redondade 25 cm 2. Estos electrodos tendrán las intensidades de corriente entre 0,06 mA/cm2 y 0,08 mA/cm2 para corrientes de 1,5 mA-2 mA, respectivamente. Prepare bolsillos de esponja que se ajusten a los electrodos de goma. Si el bolsillo de la esponja es demasiado grande, aumentará la superficie de contacto con la piel. Preparar solución salina (NaCl estándar al 0,9%). Preparar alcohol (70%). Obtenga una tapa de silicona ajustable: también se pueden usar correas para la cabeza, sin embargo, las tapas de silicona EEG se pueden ajustar mejor al tamaño y la forma de la cabeza de los participantes y, por lo tanto, son más cómodas para la colocación de electrodos. Obtener cinta métrica (flexible; plástico o cinta). Obtenga un marcador de piel: lápices de marcadores de piel o varios productos de maquillaje (por ejemplo, lápiz de ojos o crayón de sombra de ojos), este último puede ser aún más conveniente, ya que son dermatológicamente probados y fácilmente extraíbles. Obtener almohadillas de algodón. Obtén peine y mini bandas capilares de silicio de un solo uso. Obtenga una jeringa o pipeta de plástico. Prepare una hoja de protocolo: complete el formulario para obtener información básica sobre la sesión, es decir, ID de participantes, ID de estudio, fecha, hora, notas, etc. (consulte el Apéndice para ver un ejemplo). Prepare una tabla con medidas de cabeza precalculadas para ayudar con la colocación de los electrodos.NOTA: Para agilizar el proceso y reducir la posibilidad de errores, es recomendable tener esta tabla lista con antelación. La medición se basa en el sistema de colocación de electrodos EEG 10-20; los valores utilizados para los cálculos son distancias nasion-inion/left-right-preauricular (ver más abajo). La tabla da valores del 20% para un rango de valores de distancia. Nos ha parecido más conveniente tener la tabla incrustada en la hoja de protocolo (Apéndice). Preparar cuestionarios. Para cada sesión, recopile datos sobre sensaciones y efectos secundarios antes y después de la tDCS; sensaciones y el nivel de (des)agradable durante la tDCS; estado de ánimo y estado subjetivo general, es decir, frescura / cansancio. Figura 1:Materiales para el experimento tDCS (ver texto para más detalles). 1) dispositivo tDCS; 2) electrodos; 3) esponjas; 4) solución salina; 5) alcohol; 6) tapa de silicona; 7) cinta métrica; 8) lápiz de piel; 9) almohadillas de algodón; 10) peines y bandas de silicio; 11) jeringa Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Programación de protocolos de estimulación NOTA: Los pasos exactos en la programación del protocolo tDCS difieren entre los sistemas/dispositivos tDCS. Sin embargo, todos los dispositivos tDCS proporcionan características básicas: la capacidad de producir corriente constante con la intensidad de estimulación deseada, la capacidad de subir y bajar gradualmente y un método para establecer la duración de la estimulación. Los protocolos más avanzados, como el tDCS oscilatorio theta, requieren dispositivos / sistemas que permitan protocolos de estimulación personalizados. TDCS anodal constante Definir el protocolo tDCS anodal constante estándar(Figura 2A)como: (1) período de desvanecimiento de 30 segundos, cuando la intensidad de corriente aumenta gradualmente de 0 mA a la intensidad objetivo (normalmente usamos 1.5 mA, pero también se pueden usar otras intensidades, siempre que se mantengan dentro de los límites de seguridad); (2) período de estimulación durante el cual se administra la corriente constante de la intensidad objetivo (por ejemplo, 1,5 mA); y (3) período de desvanecimiento de 30 segundos cuando la intensidad de corriente se reduce gradualmente a 0 mA. Figura 2: Protocolos tDCS: (A) tDCS anodal constante; B) TDCS oscilatoria Theta; (3) TDCS simulada. El desvanecimiento en el período está marcado de color naranja; El período de desvanecimiento está marcado en verde. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. TDCS oscilatorio Theta El tDCS theta-oscilatorio suministra corriente de intensidad variable, pero no cambia de polaridad(Figura 2B). Por lo tanto, defina la forma de onda en la que se entrega la corriente de la siguiente manera: (1) período de desvanecimiento de 30 segundos, cuando la intensidad de la corriente aumenta gradualmente de 0 mA a la intensidad objetivo (por ejemplo, 1,5 mA); (2) el período de estimulación de 19 minutos en el que la corriente oscila alrededor de la intensidad objetivo dentro de un rango de amplitud predefinido (usamos oscilaciones de ± 0,5 mA de la intensidad objetivo) en una frecuencia seleccionada (normalmente usamos la frecuencia de 5 Hz como representativa del ritmo theta); y (3) período de desvanecimiento de 30 segundos para llevar la intensidad de corriente a 0 mA.NOTA: Este protocolo puede ser generado por cualquier software de control experimental (por ejemplo, CED Signal) y entregado a través de una interfaz inteligente (por ejemplo, la gama de dispositivos CED 1401) que es compatible con el dispositivo tDCS que se va a utilizar. Algunos sistemas de estimulación eléctrica transcraneal (tES) dedicados más avanzados, además de tDCS, también pueden administrar corriente alterna (tACS) y estimulación de ruido aleatorio (tRNS). También se pueden utilizar para generar el protocolo oscilatorio tDCS. Por ejemplo, en StarStim el protocolo tDCS theta-oscilatorio se define como una combinación lineal de tDCS (1,5 mA) y tACS (±0,5 mA, 5 Hz). Este tipo de protocolo se puede personalizar en el sentido de que no todos los participantes reciben estimulación oscilatoria en la misma frecuencia (es decir, 5 Hz), sino que la frecuencia se ajusta a la frecuencia dominante dentro de la banda theta para cada persona (por ejemplo, Persona 1: 5 Hz, Persona 2: 6 Hz, Persona 3: 4.5 Hz, etc.).     TDCS simulada Utilice un protocolo simulado con la misma duración que el tDCS constante/oscilatorio(Figura 2C). A saber, definídalo como: (1) primer período de entrada / salida de desvanecimiento en el que la corriente aumenta gradualmente a la intensidad objetivo (por ejemplo, 1.5 mA) y se reduce gradualmente a 0 mA durante los primeros 60 segundos (2) 18 minutos de 0 mA, y (3) el segundo período de entrada / salida de desvanecimiento que nuevamente dura 60 segundos.NOTA: Un enfoque alternativo sería utilizar una intensidad de corriente muy baja durante todo el período de estimulación (20 min). Este tipo de protocolo simulado está programado de la misma manera que la estimulación anodal (solo la intensidad actual se establece en (0,1 mA) y está diseñado para producir sensaciones cutáneas, pero la intensidad es demasiado semana para producir efectos fisiológicos33. 3. Colocación del electrodo (Figura 3) Montaje de electrodos DLPFC: Para la estimulación del DLPFC, coloque el electrodo objetivo (anodal) en F3 (izquierda) o F4 (derecha) del sistema internacional de EEG 10-20. Coloque el electrodo de retorno (catodal) en la mejilla contralateral, es decir, la mejilla derecha para el ánodo F3 y la mejilla izquierda para el ánodo F4. Montaje de electrodos PPC: Para la estimulación sobre PPC, coloque el electrodo objetivo (anodal) en P3 (izquierda) o P4 (derecha) del sistema internacional 10-20 EEG. Coloque el electrodo de retorno (catodal) en la mejilla contralateral igual que en el montaje DLPFC. La colocación del electrodo objetivo Para ubicar F3 en la cabeza de los participantes Use la cinta métrica para medir la distancia entre nasion (el punto más profundo del puente nasal) e inion (el punto más pronunciado de la protuberancia occipital externa) que pasa por encima de la parte superior de la cabeza. Marque la distancia media con el marcador de piel con una línea delgada. Mide la distancia entre las orejas (usa puntos preauriculares como referencias) pasando por encima de la parte superior de la cabeza y marca la distancia media con una línea delgada. Encuentre el vértice o la posición central de la línea media, conocida como Cz, en las intersecciones de las dos líneas medias. Mártalo claramente con el marcador de piel. Mida de nuevo la distancia nasion-inion, pero esta vez pasando por encima de Cz, y anote la distancia como medida A. Mida de nuevo la distancia entre las orejas, esta vez pasando por encima de Cz, y anote la distancia como medida B. Calcule el 20% de la distancia A y el 20% de la distancia B (o consulte la hoja de protocolo para obtener valores precalculadas). Mueva el 20% de la distancia A hacia adelante desde Cz a lo largo de la línea nasion-inion para llegar a Fz (frontal de la línea media) y marcar el punto. Muévase el 20% de la distancia B hacia la izquierda desde Cz a lo largo de la línea interauricular para llegar a C3 (central izquierda) y marcar el punto. Mover un 20% hacia adelante desde C3 (en paralelo con la línea nasion-inion), y un 20% hacia la izquierda forma Fz (en paralelo con la línea interauricular), para llegar a F3 en la intersección. Marque F3 con el marcador de piel y coloque el centro del electrodo en el lugar. Para localizar F4, siga el mismo procedimiento solo en el lado derecho de la cabeza. Para ubicar P3 en la cabeza de los participantes Siga los pasos 3.3.1.1-3.3.1.5 como se describió anteriormente (encuentre Cz, observe la distancia A y B, calcule el 20%). Mover el 20% de la distancia A hacia atrás desde Cz a lo largo de la nasion-inion para llegar a Pz (parietal de la línea media) y marcar el punto. Muévase el 20% de la distancia B hacia la izquierda desde Cz a lo largo de la línea interauricular para llegar a C3 y marcar el punto. Muévase un 20% hacia atrás desde C3 (en paralelo con la línea nasion-inion), y un 20% hacia la izquierda desde Pz (en paralelo con la línea interauricular), para llegar a P3 en su intersección. Marque P3 con el marcador de piel y coloque el centro del electrodo en el punto. Para localizar P4, siga el mismo procedimiento solo en el lado derecho de la cabeza. Colocación del electrodo de retorno Después de asegurar el electrodo objetivo con la tapa de silicio ajustable (consulte el procedimiento paso a paso), inserte el electrodo de retorno debajo de la banda de la barbilla para asegurar el contacto del electrodo con la mejilla contralateral. Figura 3: Esquema de colocación de electrodos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 4. Procedimiento paso a paso Antes de la sesión de tDCS Comprobar si cada participante cumple los criterios de inclusión definidos en la aprobación ética del estudio (véase el Apéndice para los criterios de inclusión/exclusión más comunes). Pida al participante que rellene la hoja de información del participante (incluyendo toda la información relevante, como edad, sexo, consumo de nicotina/alcohol, etc.34). Siga las pautas éticas de la junta de revisión institucional y pida al participante que firme el consentimiento informado. Aproveche esta oportunidad para explicar los aspectos básicos del procedimiento al que se someterán y responder cualquier pregunta que los participantes puedan tener. Dependiendo del diseño del estudio, realizar una evaluación cognitiva basal (memoria y/u otras funciones cognitivas). Configuración y estimulación de tDCSSiente al participante cómodamente en una silla. Pida al participante que complete la lista de verificación de sensaciones pre-tDCS y que informe sobre el estado general (es decir, el estado de ánimo actual; frescura / cansancio: estos se pueden evaluar como un solo elemento de tipo Likert o utilizando cuestionarios estandarizados como Brief Mood Introspection Scale35). Tome medidas de cabeza con una cinta métrica. Para localizar el DLPFC o PPC siga el procedimiento descrito anteriormente (colocación de electrodos). Anote las medidas en la hoja de Protocolo para cada participante. Estos se pueden usar para verificar al tomar medidas en sesiones posteriores. Para aumentar la conductancia, aleje el cabello del participante del sitio de estimulación (use peine y bandas para el cabello para los participantes con cabello largo). Inspeccione si hay signos de daño en la piel en el lugar de la estimulación. Evite colocar electrodos sobre la piel dañada. Limpie la superficie de la piel donde se colocarán los electrodos con almohadillas de algodón empapadas en alcohol para eliminar la grasa, la suciedad, etc. y déjela secar (use un producto de desmaquillante si el participante tiene maquillaje pesado en la mejilla). Coloque la tapa de silicona en la cabeza del participante y asegúrela con el barbijo. No apreta la tapa (esto se hará más adelante). Remoje los bolsillos de la esponja con solución salina y coloque los electrodos dentro de ellos. Las esponjas deben estar húmedas pero no goteando; por lo general, 10-15 ml de solución salina por esponja es suficiente. Si las esponjas están demasiado secas, esto causará una alta resistencia y dará como resultado una mala conductividad, incluso perdiendo la conexión del circuito.NOTA: La mayoría de los dispositivos tDCS tienen los indicadores de resistencia; sin embargo, las esponjas deben inspeccionarse ocasionalmente en busca de humedad. Por otro lado, si las esponjas están excesivamente húmedas, puede hacer que la corriente se desplazca a través de la cabeza durante la estimulación. Se recomienda tener esponjas medianamente húmedas y usar una jeringa para agregar más solución salina durante el experimento si las esponjas se vuelven demasiado secas. Coloque el electrodo de esponja debajo de las correas de silicio y coloque el centro del electrodo objetivo en la ubicación marcada de la cabeza. Fije el electrodo de retorno en la mejilla contralateral. Use las correas de silicio para ajustar la tapa al tamaño y la forma de la cabeza del participante. La tapa debe estar apretada para que los electrodos no puedan moverse, pero aún así ser cómoda para el participante. Encienda el estimulador, seleccione y ejecute el protocolo tDCS predefinido (estimulación anodal activa o simulada). Pídale al participante que se relaje y deje que informe cómo se siente durante los primeros minutos de estimulación (1-3 minutos). Explique que las sensaciones se desvanecerán lentamente a medida que se acostumbren o cuando comiencen a centrar su atención en alguna otra actividad. Para evitar actividades no estructuradas que puedan interferir con los efectos de la estimulación, use un compromiso cognitivo ligero durante la tDCS. Por ejemplo, los participantes pueden realizar ensayos de práctica de tareas cognitivas o participar en juegos de memoria fáciles durante la estimulación (comenzando después de 3-5 minutos de estimulación). Este tipo de compromiso cognitivo durante la estimulación tiene el potencial de promover los efectos de la tDCS y ayudará a los participantes a mantener la mente fuera de las sensaciones de la piel inducidas por la tDCS. Pida al participante que informe cómo se siente varias veces durante la estimulación (por ejemplo, que informe el nivel de disgusto en una escala de 10 puntos cada 5 minutos de estimulación, 1 – completamente ausente, 10 – muy intensivo). Se podrían esperar niveles más altos de disgusto (>6) durante los períodos de desvanecimiento de desvanecimiento en algunos participantes. Si el nivel de disgusto permanece alto después de 5 minutos, aborte la estimulación. Una vez transcurrido el procedimiento predefinido, apague el estimulador. Retire primero los electrodos de esponja y luego retire la tapa de silicio. Pídale al participante que complete la lista de verificación de sensaciones posterior al tDCS y que informe sobre cualquier efecto secundario que aún no esté en la lista. Limpie la piel en los lugares donde se marcó e inspeccione la piel para cualquier cambio. Si hay una reacción cutánea (por ejemplo, vasodilatación local, es decir, enrojecimiento de la piel en la mejilla), controle a medida que se desvanece, ya que generalmente es una reacción transitoria en participantes con piel sensible, y debe desaparecer en 10-15 minutos. Evaluación de la memoria Para estandarizar la evaluación entre los participantes, utilice herramientas de evaluación computarizadas, es decir, tareas de memoria con puntuación automática. Varias tareas de WM (por ejemplo, tarea verbal y espacial de 3 espaldas) y tareas de AM (aprendizaje verbal emparejado; recuerdo de palabras de cara, ubicación de objetos, etc.) se pueden encontrar aquí: https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408 Para evaluar la especificidad de los efectos de la tDCS en la memoria, es aconsejable incluir tareas de control, es decir, tareas que tocan otra función cognitiva o motora. Finalización de la sesión/estudio experimental Después de la (última) sesión experimental en el estudio, pida al participante que intente adivinar las sesiones en las que ha recibido estimulación real y simulada. Anote todas las respuestas y vea si las proporciones obtenidas son más altas que la probabilidad casual. Si no, el cegamiento tuvo éxito. Si los participantes fueron capaces de diferenciar la estimulación real de la simulada, analice los datos para aquellos que adivinaron correctamente y aquellos que no lo hicieron para verificar si el cegamiento fallido afectó los efectos de tDCS. De acuerdo con las pautas éticas, informe a los participantes en detalle después de que se complete su participación. Después de la sesión experimental Lave las esponjas con agua corriente y jabón para que la solución salina se lave por completo. Deje que las esponjas se sequen completamente antes de guardarlas. Use agua tibia y alcohol para limpiar todos los materiales reutilizables, incluidos el peine, la tapa de silicona y la cinta métrica. Tome notas sobre todos los eventos inusuales, inesperados o no planificados que puedan haber ocurrido durante la sesión, incluidos los fallos de funcionamiento del equipo, los comentarios relevantes realizados por el participante, las interrupciones, etc.

Representative Results

El protocolo descrito se ha utilizado con éxito para mejorar el rendimiento de la memoria en varios estudios en nuestro laboratorio. Sin embargo, protocolos similares también se han utilizado en otros laboratorios de investigación (por ejemplo, ver36,37). Cuando se trata de memoria de trabajo, nuestros resultados han demostrado que 20 minutos de tDCS frontal derecho (ubicación F4; corriente constante de 1,8 mA) mejoraron la WM verbal, mientras que el mismo protocolo de estimulación aplicado sobre la corteza parietal izquierda (ubicación P3) dio como resultado un mejor rendimiento de la WM espacial. Por el contrario, no se encontraron efectos significativos cuando se aplicó el mismo protocolo de estimulación sobre las cortezas frontal izquierda (F3) y parietal derecha (P4). La Figura 4 muestra los resultados representativos del modelado del campo eléctrico generado por tDCS, así como las medidas de rendimiento después de tDCS activas y simuladas basadas en los datos reportados en Živanović et al., 202138. Figura 4: (A) Efectos de la tDCS anodal constante del PPC izquierdo (montaje de mejilla p3-contralateral) en el rendimiento de la memoria de trabajo espacial (tarea espacial de 3 espaldas); (B) Efectos de la tDCS anodal constante de DLPFC derecho (montaje de mejilla f4-contralateral) en el rendimiento verbal de WM (tarea verbal de 3 espaldas). La figura muestra la simulación de los campos eléctricos inducidos por tDCS, el esquema de las pruebas de tareas y el rendimiento dentro de los sujetos en condiciones activas y simuladas (los valores se centran en el orden de la sesión para tener en cuenta el contrapeso, es decir, los valores positivos indican un rendimiento superior al promedio, mientras que los valores negativos indican un rendimiento por debajo del promedio en la sesión). La simulación de los campos eléctricos locales generados por la configuración del electrodo se realiza utilizando COMETS2 MATLAB toolbox 41. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Los efectos de la tDCS parietal sobre la memoria asociativa han sido consistentes y robustos. Es decir, en la serie de experimentos dentro del sujeto hemos demostrado que 20 minutos de tDCS sobre PPC izquierdo (ubicación P3; corriente constante de 1,5 mA) mejora la memoria para las asociaciones cara-palabra27,39,40. La Figura 5 muestra la tarea representativa y los resultados. Además, se observaron efectos comparables en la tarea AM que evalúa las asociaciones objeto-ubicación cuando se estimula el PPC derecho (ubicación P4) utilizando el mismo protocolo tDCS constante40. Figura 5: Efectos de la tDCS anodal constante del PPC izquierdo (montaje de mejilla p3-contralateral) en el rendimiento de la memoria asociativa (A)Tarea de pares cara-palabra; (B) Efectos de la tDCS anodal constante del PPC izquierdo (montaje de la mejilla P3-contralateral) en el rendimiento de la memoria asociativa (proporción de palabras correctamente recordadas en la señal). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Los protocolos más avanzados, como el tDCS theta-oscilatorio, han sido menos estudiados, sin embargo, el estudio de Lang y sus colegas26, así como el estudio reciente realizado en nuestro laboratorio27 mostraron una mejoría en la AM de palabra facial siguiendo el protocolo tDCS theta-oscilatorio en comparación con la simulación. La figura animada muestra la simulación del campo eléctrico inducido por el tDCS oscilatorio theta sobre el PPC izquierdo. Vídeo 1. Haga clic aquí para descargar este video. Apéndice. Haga clic aquí para descargar estos archivos. 

Discussion

El resultado del estudio tDCS sobre la memoria depende del número de factores, y algunos de los cuales, por ejemplo, la homogeneidad/heterogeneidad de la muestra, el poder estadístico suficiente, la dificultad de las tareas de memoria y la motivación de los participantes se han discutido previamente (ver Berryhill, 2014). Varios artículos excelentes sobre el método tDCS, así como tutoriales más generales sobre la aplicación de tDCS para estudiar las funciones cognitivas están disponibles y también se pueden aplicar bien a la investigación de la memoria (ver17,43,44,45,46,47). Aquí nos centraremos en los aspectos del protocolo que, según nuestra experiencia, son relevantes pero que a menudo se pasan por alto o no se discuten con suficiente detalle en otros lugares.

Colocación del electrodo de retorno. Es importante tener en cuenta que el electrodo de retorno no es pasivo sino terminal de polaridad negativa (es decir, cátodo). Por lo tanto, puede inducir efectos fisiológicos que son opuestos al electrodo objetivo. Además, el flujo de corriente, depende tanto del posicionamiento del retorno como depende del electrodo objetivo. Además, dado que la corriente fluye a lo largo del camino de menor resistencia, si el ánodo y el cátodo se encuentran demasiado cerca el uno del otro, la corriente puede fluir solo sobre la superficie de la piel y / o a través del líquido cefalorraquídeo entre los electrodos, dejando así el tejido cortical sin afectar. Por estas razones, la elección cuidadosa del electrodo de retorno es tan relevante como la posición del electrodo objetivo. Existe evidencia metaanalítica que sugiere que los cátodos extracraneales tienen más probabilidades de producir efectos significativos48. El posicionamiento del electrodo de retorno en la mejilla contralateral para mejorar la memoria se basó en el modelado de flujo de corriente y se seleccionó para evitar posibles efectos de confusión de generar polaridad negativa sobre áreas cerebrales irrelevantes para la función. El posicionamiento del electrodo de retorno en la mejilla contralateral se ha utilizado con éxito en estudios previos de WM (ver36,37,38,49,así como en estudios de AM27,39,40),y se ha destacado como una buena opción para montajes de tDCS con el objetivo de modular otras funciones cognitivas también45.

Cegamiento. En experimentos de ciegos simples, para garantizar el cegamiento del participante, la posición del estimulador y / o la pantalla de monitoreo deben estar fuera de la vista del participante. Esto es especialmente importante cuando se utilizan estimuladores que tienen luces que indican cuándo la unidad está encendida y / o entregando corriente. Para los diseños doble ciego (cuando tanto el participante como el experimentador desconocen el protocolo que se administra), se debe usar la opción doble ciego, u opción similar que está disponible para un dispositivo determinado. Si esta opción no está disponible, la buena práctica es contar con un procedimiento de dos experimentadores. Es decir, un experimentador entra solo para ejecutar el protocolo de estimulación, mientras que el otro experimentador que ejecuta al participante a través del experimento, incluida la tarea de memoria posterior y analiza los datos, abandona la habitación justo antes y durante la estimulación. Según los estándares metodológicos, los experimentos doble ciego se prefieren a los diseños simple ciego porque reducen el sesgo o los efectos del “experimentador”. Esto es muy relevante cuando se realizan ensayos clínicos y / o se utilizan las evaluaciones basadas en entrevistas de las funciones cognitivas. Sin embargo, el cegamiento del experimentador es un problema menor cuando los participantes están altamente motivados para maximizar su rendimiento (que es principalmente el caso en la evaluación de la memoria o la mejora cognitiva en general), y cuando la tarea se administra y se califica automáticamente (es decir, cuando el experimentador tiene poca o ninguna intervención en la fase de evaluación).

Actividad durante la tDCS. Los autores de los artículos de tDCS rara vez informan sobre lo que estaban haciendo los participantes durante la estimulación. Cuando la actividad no se informa, generalmente se implica que los participantes fueron instruidos para sentarse cómodamente y relajarse. Sin embargo, la ausencia de actividad estructurada representa la fuente del “ruido” incontrolable en los experimentos. Es decir, 20 minutos es bastante tiempo, por lo que algunos participantes pueden usar el tiempo para relajarse (con la posibilidad de incluso quedarse dormidos), mientras que otros pueden centrarse en las sensaciones de tDCS o comenzar a rumiar o pensar excesivamente en algunos temas no relacionados con tDCS. Existe evidencia que sugiere que la actividad relevante para la función pero no agotadora realizada durante la tDCS tiene el potencial de promover los efectos de la tDCS50. Por estas razones, en nuestros experimentos, los participantes realizan ensayos de práctica de las tareas de memoria que se utilizarán como medidas de resultado o tareas de memoria similares. Los ensayos de práctica son una buena opción porque involucran las mismas redes neuronales que la función objetivo, pero son más fáciles y, por lo tanto, no son frustrantes ni agotadores para los participantes. Además de eso, realizar ensayos de práctica durante la estimulación es económico en el sentido de que reduce el tiempo de prueba después de tDCS, lo que es un beneficio especialmente cuando el diseño del estudio incluye múltiples tareas que deben completarse después de tDCS. Sin embargo, los ensayos de práctica suelen ser mucho más cortos que 20 minutos, por lo que también se debe presentar una actividad alternativa. Para este propósito, hemos utilizado juegos de memoria comunes40,que mantienen a los participantes enfocados, los ayudan a pasar el tiempo y mantienen la mente fuera de las sensaciones inducidas por tDCS y los hacen en general más cómodos en el entorno de prueba. Algunas cosas a tener en cuenta al elegir la tarea de memoria que se realizará durante tDCS son que la tarea no debe ser difícil pero tampoco aburrida (las tareas adaptativas establecidas en una tasa de éxito del 80% son buenas en este contexto); la tarea no debe tener el material que pueda interferir con la evaluación posterior de la memoria (por ejemplo, al evaluar la memoria de caras y palabras, se pueden usar pares de imágenes / formas abstractas). Otra cuestión importante es la duración del “período de habituación”, es decir, cuánto tiempo después del comienzo de la estimulación deben los participantes comenzar a realizar la “actividad de distracción”. Hay diferencias individuales en la intensidad de la sensación y los tiempos de habituación, pero la mayoría de los participantes estarán listos para comenzar la actividad después de 3-5 minutos de estimulación.

Sensaciones cutáneas. Algunos participantes pueden ser más sensibles a los efectos cutáneos de la tDCS, por lo que informan niveles elevados de malestar, aunque esto no sucede con mucha frecuencia. Es importante informar a los participantes sobre las posibles sensaciones que podrían experimentar antes del experimento. Si alguien tiene miedo del procedimiento, a menudo dejamos que los participantes “sientan” la corriente en su mano antes de ponerse las esponjas en la cabeza. Los participantes deben ser monitoreados continuamente y se les debe pedir que proporcionen retroalimentación sobre su nivel de comodidad y sensaciones a intervalos regulares. Si el participante reporta un mayor nivel de incomodidad, siempre ofrezca abortar el experimento. Es fundamental que los participantes sean conscientes de que la estimulación se puede detener en cualquier momento si así lo solicitan. Si el participante decide detener la estimulación, la corriente debe reducirse lentamente (la cancelación abrupta del protocolo de estimulación puede inducir sensaciones aún más fuertes). A menudo se recomienda que en el caso de sensaciones desagradables, la intensidad de corriente se reduzca temporalmente al nivel cómodo más alto, hasta que el participante se ajuste y luego regrese gradualmente a la intensidad objetivo. Esto parece ser una alternativa apropiada para detener el protocolo de estimulación, especialmente si se utiliza tDCS en el entorno clínico. Sin embargo, cuando tDCS se utiliza para fines de investigación, y especialmente en muestras relativamente pequeñas, es esencial que todos los participantes se sometan al mismo procedimiento. Por lo tanto, se prefiere detener el experimento a reducir la intensidad de la estimulación para algunos participantes durante algún tiempo.

Notificación de la metodología tDCS y seguimiento de posibles factores de confusión. El campo de investigación de la tDCS es muy heterogéneo en cuanto a métodos y medidas, por lo que es importante informar claramente todos los aspectos del procedimiento de la tDCS, incluido el procedimiento de cegamiento y la evaluación; la posición de la cabeza del objetivo, así como la posición del electrodo de retorno; el tamaño y la forma de los electrodos; tipo de sustancia conductora utilizada (solución salina o gel); la intensidad de corriente (mA) y la densidad (mA/cm2),así como la duración del período de fundido de entrada/salida; los niveles de impedancia si se miden; la duración de la estimulación (incluido el período de fundido de entrada/salida); la descripción detallada de las actividades en las que participaron los participantes durante la estimulación; el momento y la duración de las tareas cognitivas después de la estimulación (incluidos los tiempos de descanso, si los hubiera). Este tipo de información facilita la estandarización y el análisis sistemático de los estudios publicados (ver revisión reciente por ejemplo51). Los aspectos que rara vez se informan son el efecto de variables potencialmente moderadoras / confusas como la hora del día de la sesión de tDCS, el nivel de cansancio / estado de ánimo reportado por los participantes, el éxito del cegamiento (es decir, las creencias sobre el tipo de estimulación que están recibiendo), el orden de las sesiones experimentales en los diseños dentro del sujeto, etc. Se ha informado que la mayoría de estas variables modulan los efectos de la tDCS, pero su efecto sigue siendo poco estudiado e inconsistentemente informado. Por lo tanto, los estudios de tDCS deben garantizar la recopilación e informe sobre cualquier variable potencialmente confusa; para más detalles sobre las buenas prácticas, véanse los cuadros 10A, 10B, 11 de Antal y sus colegas34.

La aplicación del protocolo descrito para la tDCS anodal ya sea en su forma estándar o, aún más, en su forma avanzada (es decir, tDCS modulada oscilatoriamente) proporciona un medio no solo para la mejora de las funciones de memoria (y el uso prospectivo en poblaciones clínicas), sino que también permite la investigación de la neurobiología de las redes neuronales funcionales detrás de estas funciones.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada por el Fondo de Ciencias de la República de Serbia, PROMIS, subvención no. #6058808, MEMORYST

Materials

Adjustable silicone cap
Alcohol
Comb
Cotton pads
Measuring tape
Rubber electrodes
Saline solution
Single-use mini silicon hair bands
Skin marker
Sponge pockets
Syringe
tDCS device
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Bjekić, J., Živanović, M., Filipović, S. R. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement. J. Vis. Exp. (175), e62681, doi:10.3791/62681 (2021).
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