JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا البروتوكول طريقة وضع القطب الكهربائي العصبي لتحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة البؤري (tDCS) الذي يتم إعطاؤه أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI).

Abstract

تحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة (tDCS) هو تقنية تحفيز الدماغ غير الغازية التي تسمح بتعديل استثارة ومرونة الدماغ البشري. تستخدم إعدادات tDCS البؤرية ترتيبات أقطاب كهربائية محددة لتقييد التدفق الحالي لمناطق الدماغ المحدودة. ومع ذلك ، يمكن أن تتأثر فعالية tDCS البؤري بسبب أخطاء تحديد موضع القطب الكهربائي على فروة الرأس ، مما يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في الجرعة الحالية التي تصل إلى مناطق الدماغ المستهدفة ل tDCS. قد يكون وضع القطب الكهربائي الذي يسترشد بالملاحة العصبية بناء على تشريح رأس الفرد ودماغه المستمد من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي (MRI) مناسبا لتحسين دقة تحديد المواقع.

يصف هذا البروتوكول طريقة وضع القطب الكهربائي العصبي لإعداد tDCS البؤري ، وهو مناسب للإعطاء المتزامن أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). نقوم أيضا بتحديد دقة وضع القطب الكهربائي والتحقيق في انجراف القطب الكهربائي في تجربة tDCS-fMRI المتزامنة. تتضمن الخطوات الحاسمة تحسين مواضع القطب الكهربائي بناء على النمذجة الحالية التي تأخذ في الاعتبار تشريح رأس الفرد ودماغه ، وتنفيذ وضع القطب الكهربائي العصبي على فروة الرأس ، وإدارة tDCS الأمثل والبؤري أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

يتم قياس الدقة الإقليمية لوضع القطب الكهربائي باستخدام المعيار الإقليدي (معيار L2) لتحديد الانحرافات الفعلية عن مواضع القطب المقصود أثناء دراسة tDCS-fMRI المتزامنة. يتم التحقيق في أي إزاحة محتملة للأقطاب الكهربائية (الانجراف) أثناء التجربة من خلال مقارنة مواضع القطب الكهربائي الفعلية قبل وبعد الحصول على الرنين المغناطيسي الوظيفي. بالإضافة إلى ذلك ، نقارن مباشرة دقة التنسيب ل tDCS العصبي بتلك التي تم تحقيقها من خلال نهج الاستهداف القائم على فروة الرأس (نظام تخطيط كهربية الدماغ 10-20). تظهر هذه التحليلات دقة وضع فائقة للملاحة العصبية مقارنة بوضع القطب الكهربائي القائم على فروة الرأس وانجراف القطب الكهربائي الضئيل خلال فترة مسح مدتها 20 دقيقة.

Introduction

التحفيز التياري المباشر عبر الجمجمة (tDCS) هو تقنية تحفيز الدماغ غير الغازية التي تسمح بتعديل وظائف الدماغ الإدراكية والفسيولوجية في السياقات التجريبية والسريرية1،2،3. يمكن أن يكون للإعطاء الحاد ل tDCS تغيرات عابرة في استثارة الخلايا العصبية ، مع استمرار الآثار اللاحقة من دقائق إلى ساعات بعد التحفيز4،5. لا يحفز التيار المطبق إمكانات الفعل ولكنه يحول بشكل عابر إمكانات غشاء الراحة للخلايا العصبية نحو إزالة الاستقطاب أو فرط الاستقطاب ، مما يؤدي إلى زيادة أو انخفاض استثارة الخلايا العصبية على المستوى العياني باستخدام البروتوكولات القياسية4،5،6. علاوة على ذلك ، فيما يتعلق بتأثيرات اللدونة المشبكية ل tDCS ، أظهرت الدراسات الحيوانية والبشرية أن tDCS يحفز عمليات تشبه التقوية والاكتئاب على المدى الطويل (LTP و LTD)4،5.

في النظام الحركي ، يسمح تعديل الإمكانات المستحثة الحركية (MEPs) بالتقييم المباشر للتأثيرات الفيزيولوجية العصبية ل tDCS على الاستثارة القشريةالمحلية 7. ومع ذلك ، لا يمكن لهذا النهج تحديد التأثيرات العصبية ل tDCS على الوظائف المعرفية ذات الترتيب الأعلى المدعومة بشبكات الدماغ الوظيفيةواسعة النطاق 8. يمكن التحقيق في التأثيرات على شبكات الدماغ من خلال الجمع بين tDCS وتقنيات التصوير الوظيفيالحديثة 9،10. من بين هؤلاء ، أصبح التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هو النهج الأكثر استخداما لأنه يوفر دقة مكانية ممتازة وزمنية كافية للكشف عن الآليات العصبية التي يؤثر بها tDCS على نشاط الدماغ المحلي في موقع التحفيز والشبكات العصبية واسعة النطاق11،12،13،14.

حتى الآن ، استخدمت دراسات fMRI-tDCS المدمجة بشكل أساسي ما يسمى بإعدادات tDCS التقليدية ، والتي تستخدم أقطاب مطاطية كبيرة نسبيا بين 25 و 35 سم2 (5 × 5 سم2 و 5 × 7 سم2) يتم إدخالها في جيوب إسفنجية مبللة بالمحلولالملحي 15،16. تعرض هذه الإعدادات التيار بين قطبين يتم توصيلانهما عادة فوق (أ) منطقة دماغية مستهدفة ل tDCS و (ب) قطب كهربائي عائد فوق مناطق الدماغ غير المستهدفة أو المناطق خارج الجمجمة (على سبيل المثال ، الكتف). ينتج عن هذا تدفق تيار واسع النطاق عبر الدماغ ، مما يؤثر على مناطق أخرى غير المنطقة المستهدفة ، مما يعقد الافتراضات والتفسيرات السببية حول الأصل العصبي لتأثيرات tDCS17.

يمكن تحقيق استهداف مكاني أكثر دقة بواسطة tDCS18 البؤري. تستخدم هذه الإعدادات مصفوفات من أقطاب كهربائية أصغر مرتبة على مقربة من بعضها البعض أو باستخدام كاثود على شكل حلقة يوضع حول أنود مركزي لتقييد تدفق التيار إلى المنطقة المستهدفة18،19. تشير المحاكاة الحاسوبية لتدفق التيار الكهربائي إلى أن tDCS البؤري يمكن أن يؤدي إلى دقة مكانية أعلى للتدفق الحالي إلى المنطقة المستهدفة من المونتاجالتقليدي 20. علاوة على ذلك ، أظهرت الدراسات السلوكية التعديل السلوكي الإقليمي والخاص بالمهمة باستخدام الإعدادات البؤرية19،21،22. ومع ذلك ، فقد استخدمت دراسات قليلة فقط tDCS البؤرية أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. تمكنت هذه الدراسات من إثبات جدوى هذا النهج وقدمت أول دليل على التعديل العصبي الخاص بالمنطقة19،23.

ومع ذلك ، نظرا لتسليم التيار الدقيق إقليميا ، قد تكون إعدادات tDCS البؤرية أكثر حساسية لأخطاء تحديد موضع القطب الكهربائي على فروة الرأس من المونتاج التقليدي. على سبيل المثال ، Seo et al. أظهر أن أخطاء تحديد المواقع البالغة 5 مم في إعداد القشرة الحركية البؤرية قللت من ذروة الاستقطاب الجسدي في مقبض اليد بنسبة تصل إلى 87٪ 24. علاوة على ذلك ، أظهرت دراسة النمذجة الحسابية الحديثة أن إزاحة القطب الكهربائي من المواضع المقصودة للبؤرة مقارنة بالإعدادات التقليدية أدت إلى تخفيضات كبيرة في الجرعة الحالية في المناطق المستهدفة ل tDCS ، والتي تتراوح من 26٪ إلى 43٪ 25. لذلك ، تم استنتاج أن الدراسات المستقبلية يجب أن تتضمن بشكل روتيني طرقا مناسبة لتحسين موضع القطب الكهربائي والتحقق من تحديد موضع القطب الكهربائي قبل وبعد التصوير بالرنين المغناطيسيالوظيفي 5.

في هذه الدراسة ، نصف طريقة تحديد موضع القطب الكهربائي العصبي لإعداد بؤري جديد متوافق مع fMRI 3 × 1 tDCS (أي ثلاثة كاثودات فردية مرتبة في دائرة حول أنود مركزي واحد) ، والتي يتم استخدامها حاليا في اتحاد بحثي تعاوني تموله مؤسسة العلوم الألمانية (وحدة أبحاث DFG 5429 ، https://www.memoslap.de). يبحث الكونسورتيوم في التأثيرات السلوكية والعصبية ل tDCS البؤري على التعلم والذاكرة والتنبؤات باستجابة التحفيز عبر أربعة مجالات وظيفية (أي الوظائف البصرية المكانية واللغة والحركية والتنفيذية). يتم الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلية T1 و T2 للمشاركين في الدراسة أثناء الفحص الأساسي. تستخدم هذه البيانات لمحاكاة تدفق التيار الفردية26 لتحديد مواضع فروة الرأس للأقطاب الكهربائية التي تزيد من التدفق الحالي إلى المنطقة المستهدفة في المشاركين الفرديين في الدراسة. على سبيل المثال ، سيصف هذا البروتوكول الاستهداف الملاحي العصبي لمواضع القطب الكهربائي المحددة بشكل فردي المتمركزة فوق قشرة الفص الجبهي الظهرية الجانبية اليمنى (rDLPFC) في مشارك واحد.

يعتمد قسم النتائج التمثيلية على بيانات التصوير الهيكلي التي تم الحصول عليها قبل وبعد tDCS-fMRI المتزامن في ثلاثة مشاريع فرعية لوحدة البحوث. استهدفت هذه الدراسات القشرة القذالية الصدغية اليمنى (rOTC) ، والقشرة الصدغية الجدارية اليسرى (lTPC) ، و rDLPFC. تم الحصول على البيانات في قسم طب الأعصاب في الطب الجامعي Greifswald. باستخدام هذه البيانات ، هدفنا إلى تحقيق هدفين رئيسيين: (1) تحديد الدقة المكانية لوضع القطب الكهربائي العصبي من خلال مقارنة مواضع القطب الكهربائي "المقصود" مقابل مواضع القطب "الفعلي" المحددةتجريبيا 25 ، و (2) التحقيق في درجة إزاحة القطب الكهربائي على مدار جلسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (أي انجراف القطب). هذه العوامل ضرورية لتحسين دقة وموثوقية تأثيرات tDCS في دراسات tDCS-fMRI المتزامنة27. بالإضافة إلى ذلك ، تتم مقارنة دقة استهداف tDCS العصبية بتلك الخاصة بالنهج القائم على فروة الرأس باستخدام بيانات من دراسة tDCS-fMRI السابقة لمجموعتنا25.

Protocol

تمت مراجعة جميع الإجراءات التجريبية المقدمة في هذا البروتوكول والموافقة عليها من قبل لجنة الأخلاقيات في الطب الجامعي Greifswald. قدم جميع المشاركين موافقة مستنيرة قبل إدراج الدراسة ومنحوا الإذن بنشر بياناتهم دون الكشف عن هويتهم.

1. فحص موانع الاستعمال والاعتبارات العامة

  1. قبل التسجيل في الدراسة ، قم بفحص المشاركين بعناية بحثا عن موانع التصوير بالرنين المغناطيسي28 و tDCS29 (على سبيل المثال ، أجهزة تنظيم ضربات القلب ، ورهاب الأماكن المغلقة ، وتاريخ النوبات ، والصداع النصفي ، والأمراض الجلدية على فروة الرأس [على سبيل المثال ، الصدفية / الأكزيما]) باستخدام الاستبيانات المناسبة.
  2. شرح أهداف الدراسة وجميع الإجراءات المخطط لها للمشاركين والحصول على موافقة خطية مستنيرة وفقا للمتطلبات المحلية.
  3. اتبع الإجراءات العامة لتحسين إعداد التقارير وقابلية التكرار لتجارب tDCS-fMRI المتزامنة واختبار القطع الأثرية التصويرية المحتملة التي تسببها معدات التيار و / أو tDCS على النحو الموصى به في قائمة مراجعة ContES30.
  4. استخدم الطرق المناسبة لتقييم عمى المشاركين والمحققين31،32 والآثار الضائرة المحتملة ل tDCS29.

2. فحص التصوير بالرنين المغناطيسي الأساسي والنمذجة الحالية الفردية

  1. بعد الانتهاء من فحوصات السلامة (أي إزالة الأشياء المعدنية من المشارك ، مثل العملات المعدنية والقلائد والثقب وما إلى ذلك) ، قم بتوجيه المشارك إلى غرفة الماسح الضوئي ووضعه بشكل مريح على طاولة فحص التصوير بالرنين المغناطيسي. قم بتوصيل الجزء العلوي من ملف الرأس وحرك المشارك داخل تجويف ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.
    ملاحظة: استخدمنا ماسح ضوئي 3T مزود بملف رقائق رأس / رقبة 64 قناة.
  2. قم بتسجيل المشارك الجديد باستخدام واجهة الماسحة الضوئية بالنقر فوق القائمة الرئيسية | الفحص | تسجيل المريض وتعبئة الحقول المطلوبة. انتقل إلى اختيار البرنامج وقم بجمع وتحديد بروتوكول التصوير المخطط له. انقر فوق توجيه المريض وحدد الرأس أولا ، خيار وضع الاستلقاء . من القائمة المنسدلة منطقة الفحص والجانبي ، اختر الدماغ ثم انقر فوق الفحص للوصول إلى قائمة الفحص.
  3. اتبع التعليمات التي تظهر على الشاشة لبروتوكول المسح المحدد مسبقا (مثل ضبط مجال الرؤية ، وما إلى ذلك) للحصول على تسلسلات التصوير بالرنين المغناطيسي المرجحة T1 و T2. تفاعل مع المشارك عبر نظام اتصال المتدرب الماسح الضوئي إذا لزم الأمر.
    ملاحظة: الصور المرجحة T1 و T2 مطلوبة للنمذجة الحالية الفردية. الصورة المرجحة T1 مطلوبة أيضا للملاحة العصبية لتحديد المواضع المخططة والمحسنة للأقطاب الكهربائية على فروة رأس المشاركين.
  4. استخدم البرنامج النصي في https://github.com/memoslap/Greifswald وبيانات التصوير الهيكلي التي تم الحصول عليها أثناء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي الأساسي لإجراء نمذجة تيار فردية (على سبيل المثال ، باستخدام SimNIBS26). اتبع الخطوات الموجودة في ملف Readme.md لتطبيق طريقة العناصر المحدودة وشبكات الرأس رباعية السطوح الفردية التي تم إنشاؤها من الصور الهيكلية T1 و T2 للمشارك (http://simnibs.org) 26،33،34 أداة CHARM 35 لإعادة بناء الرأس لتحديد ذروة المجال الكهربائي لتحديد المواضع المستهدفة المحسنة لوضع أقطاب tDCS فوق rDLPFC. انظر الشكل 1 للحصول على مثال لنتائج الإجراء المستخدم لهذا البروتوكول.
    ملاحظة: الطرق البديلة لتحديد إحداثيات فروة الرأس للاستهداف الملاحي العصبي ممكنة وتعتمد على إجراءات خاصة بالدراسة.

3. الملاحة العصبية

  1. الخطوات التحضيرية
    1. قم بتشغيل كمبيوتر التحكم في التنقل العصبي ونظام التتبع.
    2. خطوات التجميع: قم بتجميع جميع المعدات المطلوبة للملاحة العصبية (الشكل 2 ؛ للحصول على نظرة عامة على إعداد التنقل العصبي ، انظر الشكل التكميلي S1). تتكون المعدات الموجودة في الشكل 2 من (1) متتبع الموضوع ، (2) مفك البراغي ، (3) قضيب سداسي ، (4) نظارات واقية ، و (5) مؤشر. اتبع التعليمات أدناه لإكمال التجميع.
      1. قم بفك المسمار الموجود أسفل متتبع الموضوع باستخدام مفك البراغي.
      2. أدخل الجانب الأطول من القضيب السداسي في الجوز المثبت على متتبع الموضوع وشد المسمار.
      3. قم بفك المسمار الموجود على الجانب الأيسر من النظارات الواقية (مع وضع النظارات الواقية كما لو كانت تنظر من خلالها).
      4. أدخل الجانب الآخر من القضيب السداسي في الجوز المركب على الجانب الأيسر من النظارات الواقية وشد المسمار من النظارات الواقية.
        ملاحظة: لديك خيار تثبيت متتبع الموضوع على الجانب الأيسر أو الأيمن من النظارات الواقية. يعتمد هذا الاختيار على المنطقة المستهدفة بالنسبة لموضع كاميرا نظام الملاحة العصبية (التي يجب أن تتعرف على المؤشر ومتعقب الموضوع) فيما يتعلق بموضع المشارك. في المثال الحالي ، يتم إرفاق المتعقب على الجانب الأيسر بحيث لا يقف الشخص الذي يقوم بالتتبع بين المتعقب والكاميرا.
    3. نقل الهيكلية T1 المرجحة (على سبيل المثال ، كملف مبادرة تكنولوجيا معلوماتية التصوير العصبي (NIfTI)) للمشارك المعني الذي تم الحصول عليه في الخطوة 2.3. إلى الحاسوب التحكم في نظام الملاحة العصبية.
    4. افتح برنامج التنقل العصبي واختر مشروع فارغ جديد.
    5. قم بتحميل الصورة المرجحة T1 للمشارك واحفظ المشروع عن طريق تحديد حفظ المشروع.
    6. لبدء إعادة بناء الرأس ثلاثي الأبعاد ، انتقل إلى قسم إعادة البناء في النافذة الرئيسية للتطبيق. انقر فوق جديد... | الجلد ، والذي سيفتح نافذة أخرى. أعد بناء الجلد بالضغط على الزر المعني. اضبط عتبة الجلد / الهواء إذا لوحظت تشوهات في إعادة بناء الرأس.
      ملاحظة: يقترح التحقق مما إذا كان الرأس بأكمله قد أعيد بناؤه بشكل صحيح. من المهم إعادة بناء الأنف والأذنين بشكل جيد للكشف عن المعالم الموضحة في الخطوة التالية.
    7. قم بتكوين خمسة معالم: nasion ، وفتحتي الأنف اليمنى واليسرى ، وحفر الأذن اليسرى واليمنى (LPA و RPA). هذه مطلوبة لتسجيل المشارك في قسم المعالم في النافذة الرئيسية للتطبيق (لمزيد من التفاصيل ، انظر الشكل التكميلي S2).
    8. قم بتكوين موضع القطب الكهربائي ل rDLPFC في قسم الأهداف عن طريق إدراج إحداثيات x و y و z لموضع الأنود (التي توفرها محاكاة تدفق التيار الفردية الموضحة في الخطوة 2.4) ، انقر فوق إضافة جديد ، واكتب Anode كاسم موضع القطب. كرر الإجراء لأقطاب الإرجاع الثلاثة.
  2. تحديد مواقع القطب الكهربائي العصبي
    1. ضع المشارك بشكل مريح على كرسي مواجه لكاميرا التتبع. اطلب منه / منها ارتداء النظارات الواقية مع مرفق متتبع الموضوع.
    2. اطلب من المشاركين عدم لمس النظارات الواقية أثناء إجراء التنقل العصبي بأكمله. هذا أمر بالغ الأهمية للتسجيل الدقيق للمعالم والتحقق من صحة مواضع القطب.
    3. انتقل إلى علامة التبويب الجلسات ، ومن الزاوية اليسرى، اختر جلسة عبر الإنترنت من القائمة المنسدلة جديد . حدد علامة التبويب Polaris وتحقق من رؤية متتبع الهدف والمؤشر عن طريق نقلهما إلى مجال رؤية الكاميرا. يتم التعرف على كلا الجهازين بشكل صحيح عندما تتغير الصلبان الحمراء المقابلة إلى علامات الاختيار الخضراء في لوحة Tools (الجانب الأيسر من نافذة التطبيق).
    4. حدد قسم التسجيل لتسجيل المعالم الخمسة المحددة مسبقا. ابحث عن المعلم المعني عن طريق وضع المؤشر بشكل عمودي على رأس المشارك مع توجيه المستشعرات إلى الكاميرا. ثم اضغط على دواسة القدم لنظام الملاحة العصبية لتأكيد الموضع. تأكد من رؤية علامة اختيار خضراء أمام اسم كل معلم.
    5. انتقل إلى قسم التحقق من الصحة وتحقق من صحة المعالم عن طريق وضع طرف المؤشر على المعالم المسجلة وتحقق من مؤشري المسافة ؛ يوضح الفهرس الأول المسافة بين الشعيرات المتقاطعة (طرف المؤشر الافتراضي) والمعلم المسجل ، ويوضح الفهرس الثاني المسافة بين الشعيرات المتصالبة والجلد المعاد بناؤه.
      ملاحظة: عند استخدام المعلمات الافتراضية لنظام الملاحة العصبي، تشير المؤشرات التي تقل عن 5 مم إلى الدقة الكافية لاجتياز خطوة التحقق. هذا مقبول للعديد من السياقات التجريبية. ومع ذلك ، نظرا للإعداد البؤري المحسن المستخدم في هذا البروتوكول ، لا يتم قبول التحقق من صحة الأقطاب الكهربائية إلا إذا كان الانحراف عن الإحداثيات المقصودة أقل من 1 مم (انظر الشكل 3).
    6. حرك المؤشر فوق فروة رأس المشارك وتحقق من الشعيرات المتصالبة لفروة الرأس المعاد بناؤها على شاشة التنقل العصبي. إذا ظلت الشعيرات المتصالبة محاذاة لفروة الرأس المعاد بناؤها دون اختراقها أو إحداث فجوة فوقها ، فمن المقبول ، على الرغم من عدم التوصية ، تخطي الخطوة التالية.
    7. تذوق نقاطا إضافية حول مواقع النقاط القصوى، بما في ذلك المواقع الأكثر يسارا، والأكثر يمينا، والأكثر أعلى، والأكثر خلفية، والمواقع الأمامية. للقيام بذلك ، انقر فوق الزر "إضافة" في لوحة معالم التحسين لكل موضع. بعد ذلك ، ضع المؤشر على السطح المستهدف للرأس ، مع التأكد من أن طرف المؤشر يلامس فروة الرأس برفق ، واضغط على الدواسة لتسجيل الموضع. كرر هذه العملية حتى تصبح المسافة بين التقاطع والجلد المعاد بناؤه منخفضة قدر الإمكان.
      ملاحظة: قد تستخدم أنظمة الملاحة العصبية المختلفة مصطلحات مختلفة للإشارة إلى هذه العملية (على سبيل المثال ، تسجيل السطح).
    8. حدد قسم الأداء وحرك المؤشر إلى الموقع التقريبي ل DLPFC للعثور على موضع الأنود المركزي (بناء على الإحداثيات المتوفرة في الشكل 1D). أثناء تحريك المؤشر، راقب الشاشة في وقت واحد. حدد مواضع الأقطاب الكهربائية عندما يتماشى طرف المؤشر مع مركز التقاطع الأخضر على الشاشة.
    9. حرك شعر المشارك بعيدا عن المنطقة المقابلة على فروة الرأس وحدد المواضع بقلم تحديد الجلد / القلم
      10. . كرر العملية لمواضع الكاثودات الثلاثة (انظر الشكل 1 د).
    10. ضع كمية صغيرة من كريم التخدير الموضعي في المواضع المقصودة للأقطاب الكهربائية لتقليل الأحاسيس الجسدية على فروة الرأس أثناء tDCS-fMRI.
      ملاحظة: تأكد من مرور 20 دقيقة على الأقل بين تطبيق الكريم وبدء تشغيل tDCS.

4. tDCS-fMRI

  1. التحضير للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي tDCS-fMRI المتزامن
    1. قم بإعداد بؤري 3 × 1 tDCS باستخدام محفز تيار مباشر متعدد القنوات (DC).
    2. استخدم محفز التيار المستمرمتعدد القنوات 36 في الوضع العادي (غير البطارية). أدخل قابس الطاقة الخاص بالمحفز في نفس شريط الطاقة مثل الماسح الضوئي لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وتقليل القطع الأثرية للتصوير (انظر أيضا الملاحظات من مواصفات الشركة المصنعة).
    3. تأكد من توفر جميع المواد اللازمة المتعلقة بالتحفيز ونظيفة (الشكل 4). احرص بشكل خاص على ألا تحتوي الأقطاب الكهربائية المطاطية والقوالب ثلاثية الأبعاد على أي معجون من الجلسات التجريبية السابقة.
      ملاحظة: يستخدم الإعداد المستخدم في هذا المشروع أقطاب كهربائية مخصصة وصناديق ترشيح تم تطويرها بالتعاون مع الشركة المصنعة لمحفز التيار المستمر لتلبية المتطلبات المحددة لوحدة البحث (انظر الشكل 4 أ). ومع ذلك ، يمكن أيضا استخدام المكونات القياسية المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي.
      1. استخدم مساعد تعبئة معجون القطب الكهربائي (اللدائن الحرارية) المطبوع ثلاثي الأبعاد لتوحيد تطبيق معجون القطب الكهربائي الموصل قبل ربط الأقطاب الكهربائية بفروة الرأس (الشكل 4 أ (9) ، ب).
      2. استخدم فاصلا مطبوعا ثلاثي الأبعاد (لدن بالحرارة) لوضع الأقطاب الكهربائية على فروة الرأس وتأكد من الحفاظ على المسافات بين الأنود والكاثودات أثناء جلسات fMRI-tDCS (الشكل 4 أ (10) ، ج).
        ملاحظة: يمكن الوصول إلى القوالب المخصصة ثلاثية الأبعاد باستخدام الرابط التالي: https://github.com/memoslap/Material
    4. لإعداد محفز التيار المستمر ، قم بتوصيل محفز التيار المستمر بالصندوق الخارجي (باستخدام كابل الصندوق الخارجي والمحول). قم بتوصيل كابل الصندوق الداخلي بالصندوق الداخلي والخارجي (انظر الشكل 4).
    5. ضع 1 مم من المعجون الموصل بالتساوي على سطح جميع الأقطاب الكهربائية لإعداد البؤري tDCS 3x1. استخدم مساعد تعبئة القطب الكهربائي لتوحيد سمك العجين. قم بتغطية سطح القطب فقط بالمعجون وقم بإزالة أي معجون إضافي.
    6. قم بتشغيل محفز التيار المستمر والكمبيوتر اللوحي (بالترتيب المحدد). انقر نقرا مزدوجا فوق أيقونة DC-Stimulator MC على سطح المكتب. حدد تسلسل التحفيز المطلوب في القائمة المنسدلة لإعداد التسلسل المحدد . انقر فوق زر محفز المعايرة لمعايرة المحفز بدون حمل كهربائي (أي أن المشارك غير متصل بالمحفز).
      تنبيه: إذا كان المشارك متصلا بالمحفز أثناء المعايرة ، يمكن أن يؤدي التيار الكهربائي إلى إحساس مؤلم.
    7. ضع المشارك بشكل مريح بالقرب من محفز التيار المستمر خارج غرفة ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي.
    8. حدد أوسع جزء من رأس المشارك ، من الجبهة (فوق الحاجبين مباشرة) إلى العظم القذالي في مؤخرة الرأس ، لاختيار الحجم الأمثل لغطاء مخطط كهربية الدماغ للحفاظ على الأقطاب الكهربائية في مكانها أثناء جلسة tDCS-fMRI.
    9. ضع الأقطاب الكهربائية في الفاصل لضمان تباعد متساو بين الكاثودات حول الأنود المركزي وقم بتوصيل الأقطاب الكهربائية فوق مواضع فروة الرأس المحددة والمميزة.
    10. استخدم غطاء EEG بالحجم الأمثل بدون إدخالات بلاستيكية للحفاظ على الأقطاب الكهربائية في مكانها أثناء tDCS-fMRI.
      ملاحظة: تأكد من عدم إزاحة الأقطاب الكهربائية أثناء وضع الغطاء في مكانه.
    11. قم بتوصيل أسلاك كبلات القطب الكهربائي بالصندوق الداخلي لمحفز التيار المستمر لإجراء فحص المقاومة. حدد تسلسل التحفيز المطلوب في القائمة المنسدلة لإعداد التسلسل المحدد . ابدأ فحص المعاوقة بالضغط على زر فحص المعاوقة في محفز التيار المستمر. تأكد من تحديد وضع MR .
    12. قم بإجراء فحص المعاوقة بالضغط على الزر المعني على واجهة المحفز ؛ إذا كانت المعاوقة ≤25 كيلو أوم ، فانتقل إلى الخطوة التالية (4.1.13). إذا كانت المقاومة أعلى لأي قطب كهربائي ، فاضغط برفق على الأقطاب الكهربائية على فروة الرأس ، وشد الغطاء ، واترك المعجون الموصل يسخن. إذا لزم الأمر ، ضع المزيد من المعجون.
    13. افصل الصندوق الداخلي عن الصندوق الخارجي وأدخل الصندوق الخارجي في الدليل الموجي للماسح الضوئي.
    14. قم بتوجيه المشارك إلى غرفة الماسحة الضوئية مع التمسك بالصندوق الداخلي وكابلات القطب الكهربائي المتصلة.
      ملاحظة: في أي وقت ، احرص على عدم وجود توتر على الكابلات ، مما قد يؤدي إلى إزاحة القطب.
    15. اطلب من المشارك الجلوس على طاولة فحص التصوير بالرنين المغناطيسي وإعادة توصيل الصندوق الداخلي بالصندوق الخارجي (الذي يتم إدخاله في الدليل الموجي للماسح الضوئي).
    16. ضع المشارك بشكل مريح في وضع ضعيف على طاولة فحص التصوير بالرنين المغناطيسي ، مع وضع الرأس في ملف الرأس المفتوح. استخدم وسائد قابلة للنفخ على جانبي الرأس ووسادة إضافية في الجزء العلوي من الرأس لتثبيتها.
      ملاحظة: يفضل استخدام الوسائد القابلة للنفخ على الجانبين على الوسائد الرغوية لتجنب إزاحة القطب الكهربائي عند إدخال الوسائد الرغوية.
    17. قم بقيادة كابلات القطب الكهربائي عبر الجزء السفلي من ملف الرأس قبل توصيل الجزء العلوي من ملف الرأس وقفله في مكانه.
    18. ضع الصندوق الداخلي بجوار المشارك على طاولة فحص التصوير بالرنين المغناطيسي وحرك المشارك إلى تجويف الماسح الضوئي.
    19. اترك غرفة الماسح الضوئي وأبلغ المشارك بالإجراءات القادمة عبر واجهة الاتصال الخاصة بالماسح الضوئي قبل كل تسلسل تصوير هيكلي ووظيفي ، وكذلك قبل فحص المعاوقة الثاني داخل الماسح الضوئي.
  2. tDCS-fMRI المتزامن
    1. على كمبيوتر لوحة الماسح الضوئي، قم بتسجيل المشارك الجديد بالنقر فوق القائمة الرئيسية | الفحص | تسجيل المريض وتعبئة الحقول المطلوبة. انتقل إلى اختيار البرنامج وقم بجمع وتحديد بروتوكول التصوير المخطط له. انقر فوق توجيه المريض وحدد الرأس أولا ، خيار وضع الاستلقاء . من القائمة المنسدلة منطقة الفحص والجانبي ، اختر الدماغ وانقر فوق الفحص للوصول إلى قائمة الامتحان.
    2. اتبع التعليمات التي تظهر على الشاشة للحصول على عمليات الفحص المخطط لها (تقليل وقت التشفير النقطي قبل الرنين المغناطيسي الوظيفي مع الاستحواذ الشعاعي (PETRA) ، والرنين المغناطيسي الوظيفي الوظيفي ، وما بعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي PETRA) بالترتيب الموضح في الخطوات التالية من هذا البروتوكول.
      1. احصل على فحص PETRA الذي يسمح بالتحقق من مواضع القطب الكهربائي على رأس المشارك.
      2. أبلغ المشارك أنه سيتم إجراء فحصين للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في حالة الراحة لمدة 10 دقائق وأنه يجب عليه / عليها أن يحافظ على نظره على صليب التثبيت (المعروض عبر جهاز عرض ومرايا مثبتة على ملف الرأس) طوال فترة المسح (2 × 10 دقائق).
      3. ابدأ تحفيز tDCS بالضغط على زر التحفيز init على الكمبيوتر اللوحي. انقر فوق زر بدء التشغيل لبدء التحفيز بزيادة قدرها 10 ثوان قبل البدء بتسلسلات التصوير الوظيفية. قم بإدارة tDCS لمدة 20 دقيقة بسعة 2 مللي أمبير.
        ملاحظة: بروتوكولات التحفيز الأخرى ذات فترات التصاعد المختلفة أو شدة أو فترات التحفيز ممكنة.
      4. بعد نهاية فترة المسح الوظيفي والتحفيز، احصل على فحص PETRA ثان بينما لا تزال الأقطاب الكهربائية متصلة برأس المشارك.
        ملاحظة: بالمقارنة مع فحص PETRA قبل الرنين المغناطيسي الوظيفي ، يسمح هذا بتحديد حركة القطب الكهربائي المحتمل عبر تجربة tDCS-fMRI (أي الانجراف).
    3. عند الانتهاء من جلسة التصوير بالرنين المغناطيسي ، افصل كبلات القطب الكهربائي عن الصندوق الخارجي وقم بإيقاف تشغيل محفز التيار المستمر ، وحرك المشارك خارج تجويف الماسح الضوئي ، وقم بإزالة الغطاء من رأس المشارك ، وقم بإزالة الأقطاب الكهربائية.
    4. افحص فروة رأس المشارك بحثا عن احمرار الجلد المحتمل الناجم عن التحفيز. نظف فروة رأس المشارك حيث تم وضع الأقطاب الكهربائية.
    5. في نهاية التجربة ، اطلب من المشارك إكمال التأثيرات الضارة tDCS29 وتعمية31،32 استبيانا.

النتائج

تم تضمين بيانات من 43 مشاركا شابا أصحاء (20 رجلا / 23 امرأة ، تتراوح أعمارهم بين 24.74 ± 5.50 سنة). أكمل المشاركون ما يصل إلى أربع جلسات بالرنين المغناطيسي الوظيفي. تم إجراء وضع الأقطاب الكهربائية العصبية قبل كل جلسة بالرنين المغناطيسي الوظيفي. في المجموع ، تم تضمين 338 مجموعة بيانا...

Discussion

الخطوات الحاسمة والتعديلات المحتملة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها للطريقة
يعد تحديد المواقع بدقة للأقطاب الكهربائية عاملا تقنيا حاسما في تجارب tDCS ، ويمكن أن تؤثر الانحرافات عن مواضع فروة الرأس المقصودة أو انجراف القطب الكهربائي على التدفق الحالي إلى مناطق الد?...

Disclosures

MAN عضو في المجالس الاستشارية العلمية للكهرباء العصبية و Précis. يتم استخدام AH جزئيا بواسطة neuroConn GmbH. المؤلفون الآخرون ليس لديهم تضارب في المصالح للإعلان عنهم.

Acknowledgements

تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة الأبحاث الألمانية (منح المشروع: FL 379 / 26-1; ME 3161 / 3-1 ؛ CRC INST 276 / 741-2 و 292 / 155-1 ، وحدة البحث 5429 / 1 (467143400) ، FL 379 / 34-1 ، FL 379 / 35-1 ، Fl 379 / 37-1 ، Fl 379 / 22-1 ، Fl 379 / 26-1 ، ME 3161 / 5-1 ، ME 3161 / 6-1 ، AN 1103 / 5-1 ، TH 1330 / 6-1 ، TH 1330 / 7-1). تم دعم AT من قبل مؤسسة Lundbeck (منحة R313-2019-622). نشكر صوفي دابلشتاين وكيرا هيرينج على مساعدتهما في استخراج البيانات.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Brainsight neuronavigation systemBrainsight; Rogue Research Inc., Montréal, Canada
CR-5 Pro high temp 3D printer CREALITY, Shenzhen, China
DC-STIMULATOR MCNeuroConn GmbH, Ilmenau, Germanyhttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Cream 5%Aspen, Dublin, Ireland
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 softwareSiemens Healthineers AG, Forchheim, Germany
Polaris cameraPolaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Canada
Ten20 conductive EEG pasteWeaver and Company, Aurora, USA
TPU 3D printer filamentSUNLU International, Hong-Kong, China
Example of alternatives
Ingenia 3.0T (MR-scanner)Phillips, Amsterdam, Netherlands
Localite TMS Navigator (Neuronavigation equipment)Localite, Bonn, Germany
Neural Navigator (Neuronavigation equipment)Soterix, New Jersey, USA
PEBA 3D printer filamentKimya, Nantes, France
PLA 3D printer filamentFilamentworld, Neu-Ulm, Deutschland
StarStim (Stimulator)Neuroelectrics, Barcelona, Spain

References

  1. Perceval, G., Flöel, A., Meinzer, M. Can transcranial direct current stimulation counteract age-associated functional impairment. Neurosci Biobehav Rev. 65, 157-172 (2016).
  2. Simonsmeier, B. A., Grabner, R. H., Hein, J., Krenz, U., Schneider, M. Electrical brain stimulation (tES) improves learning more than performance: A meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 84, 171-181 (2018).
  3. Chan, M. M. Y., Yau, S. S. Y., Han, Y. M. Y. The neurobiology of prefrontal transcranial direct current stimulation (tDCS) in promoting brain plasticity: A systematic review and meta-analyses of human and rodent studies. Neurosci Biobehav Rev. 125, 392-416 (2021).
  4. Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of transcranial direct current stimulation. J ECT. 34 (3), 144-152 (2018).
  5. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Front Neurosci. 18, e1389651 (2024).
  6. Sandrini, M., Umiltà, C., Rusconi, E. The use of transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience: A new synthesis of methodological issues. Neurosci Biobehav Rev. 35 (3), 516-536 (2011).
  7. Bashir, S., et al. Effects of anodal transcranial direct current stimulation on motor evoked potentials variability in humans. Physiol Rep. 7 (13), e14087 (2019).
  8. Breakspear, M. Dynamic models of large-scale brain activity. Nat Neurosci. 20 (3), 340-352 (2017).
  9. Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J Rehabil Res Dev. 47 (2), vii-xxxiv (2010).
  10. Mier, W., Mier, D. Advantages in functional imaging of the brain. Front Hum Neurosci. 9, 249 (2015).
  11. Antonenko, D., et al. Microstructural and functional plasticity following repeated brain stimulation during cognitive training in older adults. Nat Commun. 14 (1), e3184 (2023).
  12. Jamil, A., et al. Current intensity- and polarity-specific online and aftereffects of transcranial direct current stimulation: An fMRI study. Hum Brain Mapp. 41 (6), 1644-1666 (2020).
  13. Keeser, D., et al. Prefrontal transcranial direct current stimulation changes connectivity of resting-state networks during fMRI. J Neurosci. 31 (43), 15284-15293 (2011).
  14. Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Floel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J Neurosci. 33 (30), 12470-12478 (2013).
  15. Nardo, D., et al. Transcranial direct current stimulation with functional magnetic resonance imaging: a detailed validation and operational guide. Wellcome Open Res. 6, 143 (2023).
  16. Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation and simultaneous functional magnetic resonance imaging. J Vis Exp. (86), e51730 (2014).
  17. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. J Cogn Neurosci. 33 (2), 195-225 (2021).
  18. Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
  19. Gbadeyan, O., McMahon, K., Steinhauser, M., Meinzer, M. Stimulation of dorsolateral prefrontal cortex enhances adaptive cognitive control: A high-definition transcranial direct current stimulation study. J Neurosci. 36 (50), 12530-12536 (2016).
  20. Kuo, H. -. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 × 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
  21. Martin, A. K., Su, P., Meinzer, M. Common and unique effects of HD-tDCS to the social brain across cultural groups. Neuropsychologia. 133, e107170 (2019).
  22. Martin, A. K., Kessler, K., Cooke, S., Huang, J., Meinzer, M. The right temporoparietal junction Is causally associated with embodied perspective-taking. J Neurosci. 40 (15), 3089-3095 (2020).
  23. Müller, D., Habel, U., Brodkin, E. S., Clemens, B., Weidler, C. HD-tDCS induced changes in resting-state functional connectivity: Insights from EF modeling. Brain Stimul. 16 (6), 1722-1732 (2023).
  24. Seo, H., Kim, H. -. I., Jun, S. C. The effect of a transcranial channel as a skull/brain interface in high-definition transcranial direct current stimulation-a computational study. Sci Rep. 7 (1), e40612 (2017).
  25. Niemann, F., et al. Electrode positioning errors reduce current dose for focal tDCS set-ups: Evidence from individualized electric field mapping. Clin Neurophysiol. 162, 201-209 (2024).
  26. Thielscher, A., Antunes, A., Saturnino, G. B. Field modeling for transcranial magnetic stimulation: A useful tool to understand the physiological effects of TMS. , 222-225 (2015).
  27. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Frontiers in Neuroscience. 18, 1389651 (2024).
  28. Ghadimi, M., Sapra, A. Magnetic resonance imaging contraindications. StatPearls. , (2024).
  29. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clin Neurophysiol. 128 (9), 1774-1809 (2017).
  30. Ekhtiari, H., et al. A checklist for assessing the methodological quality of concurrent tES-fMRI studies (ContES checklist): a consensus study and statement. Nat Protoc. 17 (3), 596-617 (2022).
  31. Dinn, W., et al. Effectiveness of tDCS blinding protocol in a sham-controlled study. Brain Stimul. 10 (2), 401 (2017).
  32. Turner, C., Jackson, C., Learmonth, G. Is the "end-of-study guess" a valid measure of sham blinding during transcranial direct current stimulation. Eur J Neurosci. 53 (5), 1592-1604 (2021).
  33. Saturnino, G. B., et al. SimNIBS 2.1: A comprehensive pipeline for individualized electric field modelling for transcranial brain stimulation. Brain and Human Body Modeling. , 3-25 (2019).
  34. Windhoff, M., Opitz, A., Thielscher, A. Electric field calculations in brain stimulation based on finite elements: An optimized processing pipeline for the generation and usage of accurate individual head models. Hum Brain Mapp. 34 (4), 923-935 (2013).
  35. Puonti, O., et al. Accurate and robust whole-head segmentation from magnetic resonance images for individualized head modeling. NeuroImage. 219, e117044 (2020).
  36. . . neuroConn Programmable multichannel current stimulator -- DC-Stimulator MC Instruction for use -- (Version 5.3.1). , (2021).
  37. Fleury, M., Barillot, C., Mano, M., Bannier, E., Maurel, P. Automated electrodes detection during simultaneous EEG/fMRI. Frontiers in ICT. 5, (2019).
  38. De Munck, J. C., Van Houdt, P. J., Gonçalves, S. I., Van Wegen, E., Ossenblok, P. P. W. Novel artefact removal algorithms for co-registered EEG/fMRI based on selective averaging and subtraction. NeuroImage. 64, 407-415 (2013).
  39. Rich, T. L., et al. Determining electrode placement for transcranial direct current stimulation: A comparison of EEG- versus TMS-guided methods. Clin EEG Neurosci. 48 (6), 367-375 (2017).
  40. Okamoto, M., et al. Three-dimensional probabilistic anatomical cranio-cerebral correlation via the international 10-20 system oriented for transcranial functional brain mapping. NeuroImage. 21 (1), 99-111 (2004).
  41. Herwig, U., Satrapi, P., Schönfeldt-Lecuona, C. Using the international 10-20 EEG system for positioning of transcranial magnetic stimulation. Brain Topogr. 16 (2), 95-99 (2003).
  42. Indahlastari, A., et al. The importance of accurately representing electrode position in transcranial direct current stimulation computational models. Brain Stimul. 16 (3), 930-932 (2023).
  43. Woods, A. J., Bryant, V., Sacchetti, D., Gervits, F., Hamilton, R. Effects of electrode drift in transcranial direct current stimulation. Brain Stimul. 8 (3), 515-519 (2015).
  44. Thair, H., Holloway, A. L., Newport, R., Smith, A. D. Transcranial direct current stimulation (tDCS): A beginner's guide for design and implementation. Front Neurosci. 11, e641 (2017).
  45. De Witte, S., et al. Left prefrontal neuronavigated electrode localization in tDCS: 10-20 EEG system versus MRI-guided neuronavigation. Psychiatry Res Neuroimaging. 274, 1-6 (2018).
  46. Daoud, M., et al. Stereo-EEG based personalized multichannel transcranial direct current stimulation in drug-resistant epilepsy. Clin. Neurophysiol. 137, 142-151 (2022).
  47. Hunold, A., Haueisen, J., Nees, F., Moliadze, V. Review of individualized current flow modeling studies for transcranial electrical stimulation. J Neurosci Res. 101 (4), 405-423 (2023).
  48. Göksu, C., et al. Human in-vivo brain magnetic resonance current density imaging (MRCDI). NeuroImage. 171, 26-39 (2018).
  49. Göksu, C., Scheffler, K., Siebner, H. R., Thielscher, A., Hanson, L. G. The stray magnetic fields in magnetic resonance current density imaging (MRCDI). EJMP. 59, 142-150 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

213 tDCS fMRI tDCS tDCS fMRI

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved