تحديد موقع الأهداف الخاصة بالوظيفة للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة في غياب معدات الملاحة

Summary

تصف هذه الورقة كيفية تحديد الأهداف الخاصة بالوظيفة لتدخلات أو علاجات التحفيز المغناطيسي المتكررة عبر الجمجمة عندما تكون معدات الملاحة غير متوفرة.

Abstract

التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة (rTMS) هو تقنية غير جراحية تعدل النشاط العصبي في الدماغ. أظهرت الدراسات أن التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة يمكن أن ينظم اللدونة العصبية ، ويعزز إعادة تنظيم الشبكة العصبية ، وقد تم تطبيقه على نطاق واسع على الاضطرابات العصبية والنفسية مثل السكتة الدماغية. على الرغم من أن بعض الدراسات تشير إلى أن التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة يمكن أن يساعد في إعادة تأهيل السكتة الدماغية ، إلا أن فعاليته لا تزال غير مؤكدة ، ربما بسبب القيود المفروضة على التوطين التقليدي للنقطة الساخنة لمحرك اليد.

يتم تحديد النقطة الساخنة لمحرك اليد من خلال الإمكانات المحركة (MEPs) ، والتي تعكس موصلية القناة القشرية أو الهرمية ، والتي تمثل الحركة غير الإرادية. في المقابل ، تحدد نقاط تنشيط التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) من مهمة حركية أهدافا خاصة بالوظيفة ، والتي تتضمن كلا من الإدراك والتنفيذ الحركي ، والتي تمثل الحركة الإرادية. بناء على ذلك ، نقترح مفهوم الأهداف الخاصة بالوظيفة - الأهداف المحددة من خلال تقنيات تصوير الدماغ التي تهدف إلى وظائف محددة. تظهر الأهداف الخاصة بالوظيفة اتصالا وظيفيا أقوى وأكثر شمولا مع مناطق الدماغ المتعلقة بالإدراك الحركي ، مما قد يوفر تأثيرات تنظيمية أكثر فعالية من النقاط الساخنة.

استكشفنا والتحقق من صحة التأثيرات المعدلة للأهداف الخاصة بالوظيفة في دراسة سابقة. ومع ذلك، فإن المؤسسات التي لا تحتوي على معدات ملاحة غير قادرة على الاستفادة من هذه الأهداف الخاصة بالوظيفة. لذلك ، قمنا بتطوير طريقة توطين غير متنقلة للأهداف الخاصة بالوظيفة ، مصممة خصيصا لتحديد وتحديد أهداف rTMS في نصف الكرة الأرضية المماثل بعد السكتة الدماغية ، ومعالجة التحديات التي تواجهها المؤسسات التي تفتقر إلى معدات الملاحة عند تطبيق rTMS المستهدف الخاص بالوظيفة.

Introduction

التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة (rTMS) هو تقنية تعديل عصبي غير جراحية يمكنها تنظيم نشاط الدماغ وقد استخدمت على نطاق واسع في علاج الاضطرابات العصبية والنفسية ، مثل إعادة تأهيل الخلل الحركي لليد لدى مرضى السكتة الدماغية. أظهرت بعض الدراسات أن التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة له تأثيرات علاجية على عقابيل ما بعد السكتة^{الدماغية 1،2،3} ، لكن فعاليته لا تزال غير مؤكدة. أحد الأسباب الرئيسية لعدم اليقين هذا هو صعوبة تحديد أهداف التحفيز الدقيقة. غالبا ما تعتمد دراسات TMS التي تستهدف الوظيفة الحركية على نظام مخطط كهربية الدماغ الدولي 10-20 للتوطين ، باستخدام C3 / C4 كأهداف تحفيز ، أو تستخدم أهدافا فردية ، مثل النقطة الساخنة لمحرك اليد. ومع ذلك ، لا يمكن لهذه الطرق تحديد المناطق القشرية المصابة بالTMS بدقة. تم استخدام rTMS الموجه بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) على نطاق واسع في علاج الاكتئاب.

استكشف بحثنا السابق أيضا تطبيقه في علاج متلازمة توريت عن طريق تحفيز المنطقة الحركية^{التكميلية 4} ، ولكن لم يتم تطبيقه بعد على المنطقة الحركية الأولية (M1). بالنسبة إلى rTMS ، يختلف M1 عن مناطق الدماغ الأخرى لأنه يحتوي على نقطة ساخنة لمحرك اليد. تمثل تقلصات العضلات الناجمة عن TMS حركات لا إرادية ، مما يعكس التوصيل من أعلى إلى أسفل عبر القنوات القشرية أو الهرمية. في المقابل ، فإن فوكسيل ذروة التنشيط التي يحددها الرنين المغناطيسي الوظيفي أثناء مهام النقر بالإصبع ترتبط وظيفيا بمناطق الدماغ المشاركة في الإدراك الحركي ، والتي تمثل الحركات الإرادية⁵. لذلك ، عند علاج اضطرابات الحركة ، قد يؤدي استخدام "التنشيط" المرتبط بالمهمة الذي يحدده التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي كأهداف خاصة بالوظيفة إلى تحسين النتائج العلاجية^5،6. في عملنا السابق ، قارنا أنماط تنشيط الدماغ بين المهمة الموجهة بصريا والمهمة التي بدأها ذاتيا باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وقررنا أن المهمة التي بدأها ذاتيا تتوافق بشكل وثيق مع متطلبات التدريب النشط على إعادة^{التأهيل 6}. أكدنا هذه النتيجة من خلال إعادة تحليل مجموعة فرعية من البيانات من الدراسة الأصلية (الشكل 1).

يتطلب الاستهداف الدقيق لمناطق معينة من وظائف المخ أدوات تنقل دقيقة. ومع ذلك ، فإن الأنظمة الحالية ليست مرهقة في التشغيل ومحدودة في الوظائف فحسب ، بل إن أجهزة المعايرة المثبتة على الرأس غالبا ما تفشل في البقاء مستقرة أثناء الإجراءات ، وتكون عرضة للتحول ، وتكون باهظة الثمن - في بعض الأحيان تصل تكلفتها إلى مليون يوان صيني (CNY) ، أي حوالي 140,000 دولار أمريكي (USD). وفقا لمسح حول أنماط الاستخدام بين المؤسسات الأعضاء في اتحاد الطب الدقيق لعلاج التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة الموجه بالتصوير (PRECISE) ، أدت هذه العيوب إلى استخدام تقنيات الملاحة في أقل من 5٪ من أبحاث TMS والممارسة السريرية في الصين ، على الرغم من فوائدها المحتملة. ومع ذلك ، فإن الأهم من ذلك هو أن هذه الأنظمة تركز فقط على "تحديد موقع" مواقع التحفيز دون معالجة القضية الحرجة المتمثلة في "تحديد" الهدف ، أي اختيار المنطقة الأنسب للتحفيز. نظرا للتكاليف المرتفعة والتعقيد التشغيلي ومتطلبات الوقت ، فإن هذا هو السبب في أن هذه الأجهزة لم تحقق بعد اعتمادا سريريا واسع النطاق.

لمواجهة التحدي المتمثل في استخدام أهداف خاصة بالوظيفة بدون أجهزة ملاحية ، استكشفنا طريقة rTMS غير الملاحي والمستهدف. باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، حددنا أهدافا خاصة بالوظيفة في القشرة الحركية وعرضناها على سطح فروة الرأس ، مما يسمح بتحديد الهدف وتوطينه دون الحاجة إلى معدات الملاحة⁷. على الرغم من أن rTMS غير الملاحي لا يوفر مراقبة في الوقت الفعلي طوال العملية برمتها ، إلا أنه يعالج مشكلات الدقة في توطين الهدف في ظل الظروف السريرية حيث لا تتوفر الأجهزة الملاحية. توضح هذه الورقة الأساس المنطقي العام للدراسة وتحدد العملية التجريبية الكاملة ، مع التركيز بشكل خاص على مقارنة تأثيرات الأهداف الخاصة بالوظيفة على وظائف الدماغ في ظل كل من الظروف الملاحية وغير الملاحية. للتحقق من جدوى التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة المستهدف الخاص بالوظيفة ، شملت الدراسة الحالية الأفراد الأصحاء فقط.

Protocol

تمت الموافقة على هذا العمل من قبل لجنة الأخلاقيات بجامعة تشنغدو الرياضية ، وقدم جميع المشاركين موافقة خطية مستنيرة (الشكل 2). يصف هذا البروتوكول rTMS المستهدف غير الملاحي مقابل الملاحة الخاصة بالدالة.

1. توظيف المشاركين

1. قم بتجنيد 10 مشاركين بالغين يتمتعون باليد اليمنى أصحاء (تتراوح أعمارهم بين 22 و 29 عاما ، مع 5 إناث و 5 ذكور ؛ متوسط العمر 24 ± 2 سنة). استبعاد مشارك واحد بسبب حركة الرأس التي تتجاوز 2.5 مم في الترجمة أو 2.5 درجة في الدوران. أخيرا ، قم بتضمين 9 مشاركين في التحليل الإحصائي.
   1. معايير الاشتمال
      1. قم بتجنيد المشاركين الذين تتراوح أعمارهم بين 18 و 30 عاما ، والذين يستخدمون اليد اليمنى ، ويجتازون فحوصات سلامة التصوير بالرنين المغناطيسي وTMS ، وليس لديهم تاريخ من الصرع أو غيرها من الاضطرابات العصبية أو النفسية.
      2. تأكد من أن المشاركين يستوفون معايير إضافية مثل عدم وجود موانع لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي ، وعدم وجود تاريخ من إصابة الدماغ أو أمراض القلب الحادة ، وأنهم لا يتناولون حاليا الأدوية المضادة للصرع أو مضادات التخثر.
      3. تجنيد المشاركين الذين ليس لديهم اضطرابات في الوعي ، ولا توجد أجسام معدنية في أجسامهم (مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ، أو زراعة الأسنان المعدنية ، أو الجهاز داخل الرحم) ، وليس لديهم رهاب الأماكن المغلقة الشديد أو الحمل ، والذين تكون رؤيتهم إما طبيعية أو مصححة إلى طبيعة.
2. معايير استبعاد بيانات ما بعد التجربة
   1. استبعاد البيانات من المشاركين غير القادرين على إكمال التجربة أو الذين تجاوزت حركة رأسهم أثناء مسح الرنين المغناطيسي الوظيفي 2.5 مم من الترجمة أو 2.5 درجة من الدوران.
3. إرشادات المشاركين قبل التجربة
   1. تأكد من توقيع جميع المشاركين على نموذج الموافقة المستنيرة ، والذي يشرح الغرض من البحث والإجراءات التجريبية والآثار الجانبية المحتملة والمخاطر التي تنطوي عليها.
   2. إجراء فحوصات السلامة للمشاركين.
   3. شرح الإجراءات والاحتياطات التجريبية لضمان التنفيذ السلس للتجربة.
   4. نصح المشاركين بتجنب الكحول أو القهوة أو التمارين القوية قبل التجربة.
   5. ذكر المشاركين بالحصول على قسط كاف من النوم وتجنب السهر لوقت متأخر.

2. الحصول على بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي

ملاحظة: يخضع جميع المشاركين لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي في مركز تصوير الدماغ بالرنين المغناطيسي في حرم تشينغشويخه التابع لجامعة العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية في الصين ، باستخدام ماسح ضوئي 3T GE MR750. تتضمن كل جلسة مسح صورة هيكلية مرجحة ب T1 ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في حالة الراحة (RS-fMRI) لمدة 8 دقائق ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للمهامات لمدة 4 دقائق. يتلقى المشاركون تدخلين من rTMS: أحدهما مع التنقل والآخر بدون ، مع فاصل أسبوع واحد بين الجلسات للتخلص من التأثيرات المتبقية. إجراء فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي قبل وبعد كل تدخل ، بإجمالي أربع فحوصات.

ملاحظة: موازنة تسلسل الظروف الملاحة وغير المتنقلة عبر المشاركين.

1. إجراءات المسح
   1. قبل دخول غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي ، قم بتركيب سدادات الأذن للمشاركين لتقليل الضوضاء وضمان إزالة جميع الأشياء المعدنية.
   2. اشرح المهام التي يحتاج المشاركون إلى أدائها أثناء الفحص.
   3. تأكد من أن المشاركين يجلسون على سرير المسح الضوئي ، مع تثبيت رؤوسهم بإحكام باستخدام وسادات إسفنجية لتقليل حركة الرأس.
   4. أثناء فحص RS-fMRI ، اطلب من المشاركين إغلاق أعينهم وتجنب التفكير المتعمد والبقاء مستيقظين لمنع النوم.
   5. قم بتصدير الصور يدويا إلى محرك أقراص الشبكة المخصص أو جهاز التخزين الخارجي.
2. معلمات المسح الضوئي
   1. استخدم معلمات مسح RS-fMRI التالية: وقت التكرار (TR) = 2,000 مللي ثانية ، وقت الصدى (TE) = 30 مللي ثانية ، زاوية الوجه (FA) = 90 درجة ، مجال الرؤية (FOV) = 220 مم × 220 مم ، المصفوفة = 64 × 64 ، سمك الشريحة / الفجوة = 3.4 مم / 0 مم ، مع 41 شريحة في المجموع ، تغطي الدماغ بأكمله ، و 240 نقطة زمنية تم جمعها.
   2. استخدم معلمات مسح الصور الهيكلية المرجحة T1 التالية: تسلسل صدى التدرج الفاسد (SPRG) ، المسح السهمي TR / TE = 8.2 مللي ثانية / 2.98 مللي ثانية ، FA = 8 درجة ، مجال الرؤية = 256 مم × 256 مم ، المصفوفة = 256 × 256 ، سمك الشريحة / الفجوة = 1 مم / 0 مم ، مع 166 شريحة تغطي الدماغ كله.
   3. استخدم معلمات فحص التصويرات بالرنين المغناطيسي الوظيفي للمهمة المطابقة لمعلمات RS-fMRI، باستثناء أنه يتم تجميع 120 نقطة زمنية فقط.
3. تفاصيل تنفيذ المهمة
   1. ضع المشاركين مع توجيه راحة يدهم لأعلى مع الضغط على مربع زر.
   2. ضع المناشف بين رؤوس المشاركين والملف لتثبيت رؤوسهم وتقليل الحركة.
   3. تصميم الكتلة ، مهمة ذاتية البدء (4 دقائق): عندما تظهر صورة "+" على الشاشة ، اطلب من المشاركين الراحة. عندما تظهر صورة لساعة على الشاشة ، اطلب من المشارك الضغط على الزر بإبهامه الأيمن كل 2 ثانية ، مع توقيتها بنفسه (الشكل التكميلي S1).

3. قياس عتبة المحرك أثناء الراحة (RMT)

ملاحظة: استخدم تخطيط كهربية العضل السطحي (EMG) لتسجيل سعة الجهد المستحث بمحرك (MEP) من عضلة الخاطف الأيمن (APB) ، باستخدام ملف 70 مم على شكل ثمانية متصل بمحفز Magstim Super Rapid2 لقياس RMT بتحفيز أحادي النبضة.

1. قم بإزالة جميع الأجسام المعدنية قبل الاختبار لتجنب التداخل وضمان السلامة.
2. اطلب من المشاركين الجلوس على كرسي والاسترخاء تماما.
3. ضعي مقشر مقشر و 75٪ كحول على أيدي المشاركين.
4. ضع أقطاب سطح كلوريد الفضة / الفضة (Ag / AgCl) على بطن العضلات.
5. ضع القطب المرجعي على مفصل metacarpophalangeal ، مع التأكد من أن المسافة بين القطب بين 20 مم و 30 مم.
   ملاحظة: المعلمات ذات الصلة: استخدم أقطاب كهربائية بقطر 9 مم للقياسات. يتم تضخيم إشارة مخطط كهربية العضل من عضلة APB 1,000 مرة ، ويتم ترشيح تمرير النطاق بين 20 هرتز و 2.5 كيلو هرتز ، ثم رقمنتها عبر واجهة رقمية صغيرة بمعدل أخذ عينات قدره 5 كيلو هرتز. ثم يتم تخزين البيانات على جهاز كمبيوتر وعرضها على الشاشة.
6. قم بتحميل الصورة الهيكلية T1 للفرد. ضع الملف فوق المنطقة الحركية الأولية المقابلة ، وتحديدا عند "الركبة الوسطى" للتلم المركزي ، والمعروفة أيضا باسم "مقبض اليد" ، والتي تمثل منطقة اليد في القشرة الحركية الأولية.
   ملاحظة: تأكد من استرخاء العضلات بصريا وعبر مراقبة مخطط كهربية العضل.
7. حرك الملف حول "مقبض اليد" بزيادات قدرها 0.5 سم.
8. ضع المقبض بزاوية 45 درجة على المستوى السهمي المتوسط لقياس الميكانيكا الميكانيكية.
9. ابدأ بكثافة التحفيز دون العتبة ، وزدها بنسبة 5٪ من الحد الأقصى لإخراج التحفيز في كل مرة. عندما تتجاوز سعة الذروة إلى الذروة ل MEP 50 μV ، قلل شدة التحفيز تدريجيا بنسبة 1٪ من الحد الأقصى للإخراج.
10. سجل الحد الأدنى لشدة التحفيز الذي يستحضر ما لا يقل عن خمسة أعضاء في البرلمان الأوروبي أكبر من أو يساوي 50 ميكرو فولت في 10 محفزات متتالية أحادية النبضة مثل RMT ، مع تحديد هذا الموقع على أنه النقطة الساخنة. إذا تعذر تحديد نقطة اتصال بعد ستة محفزات ، فقم بنقل الملف إلى الموقع التالي.

4. rTMS المستهدف الفردي الخاص بالوظيفة

1. حدد الهدف الفردي الخاص بالوظيفة.
   1. بعد فتح برنامج المعالجة المسبقة ، انقر فوق DPARSF 5.4 ، ثم حدد DPARSF Advanced Edition للمعالجة المسبقة لبيانات حالة المهمة باستخدام المعلمات المحددة الموضحة في الملف التكميلي 1. قم بإجراء توقيت الشريحة وتصحيحات حركة الرأس. شارك في تسجيل الصور الوظيفية للصور الهيكلية وقم بتطبيق التنعيم المكاني بعرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يبلغ 6 مم.
      ملاحظة: اضبط المعلمات المحددة وفقا لطراز الماكينة أو مهمة المسح.
   2. افتح SPM12 وانقر على Coregister Estimate. بالنسبة للصورة المرجعية، حدد الملف المسمى "sub*crop_1.nii" من المجلد T1Img. بالنسبة للصورة المصدر ، اختر ملف "mean*.nii" من مجلد RealignParameter. بالنسبة للصورة الأخرى ، حدد ملف "ra*.nii" من مجلد FunImgAR.
      ملاحظة: استخدم ملف الصورة الوظيفي الذي تم إنشاؤه بعد تصحيح الحركة وتصحيح توقيت الشريحة ك "صورة أخرى". يمكن تحديد الملفات البديلة اعتمادا على هدف البحث.
   3. انقر فوق المقطع | وحدات التخزين وحدد الملف المسمى "sub*crop_1.nii" من مجلد T1Img. بالنسبة إلى حقول التشوه، حدد معكوس + أمام، ثم انقر على تشغيل. كرر هذه العملية لتقسيم الملف "sub*.nii" من مجلد T1Img.
      ملاحظة: قم بتقسيم "sub*crop_1.nii" لحساب نقطة تنشيط المهمة الفردية. قم بتقسيم "sub*.nii" لتحويل قناع الفضاء القياسي إلى مساحة فردية.
   4. انقر فوق Smooth ، وحدد ملفات "ra * .nii" من مجلد FunImgAR لخيار Image to Smooth ، وأدخل 6 6 6 في حقل FWHM .
   5. قم بإجراء تحليل من المستوى الأول للحصول على خرائط التنشيط الفردية وتحديد ذروة فوكسل التنشيط كهدف تحفيز. قم بتضمين الخطوات الثلاث التالية:
      1. قم بإنشاء مجلد جديد باسم "indiv_act" وانقر فوق تحديد المستوى الأول. في حقل الدليل ، حدد المجلد "indiv_act" ، وانقر فوق وحدات للتصميم ، واختر عمليات المسح ، وأدخل 2 للفاصل الزمني Interscan في قسم البيانات والتصميم، حدد ملفات "sra*.nii" ضمن عمليات الفحص؛ في قسم الشرط، قم بتعيين الاسم لللمس (اسم مخصص)، وأدخل 0 30 60 90 للبدء، وقم بتعيين المدد إلى 15. انقر فوق الانحدارات المتعددة وحدد الملف "rp_a * .txt" من RealignParameters.
         ملاحظة: املأ معلومات البداية والمدة وفقا للتصميم التجريبي الفعلي.
      2. التقدير: في "تحديد SPM.mat" ، اختر ملف "SPM.mat" من المجلد "indiv_act" وقم بإنشاء خريطة تنشيط المهمة الفردية ، "spmT_0001".
      3. انقر فوق النتائج ، وحدد ملف "SPM.mat" من المجلد "indiv_act" ، وتحقق من تباين t ، وانقر فوق تحديد تباين جديد. أدخل اسما مخصصا في حقل الاسم ، وأدخل 1 0 في حقل التباين ، وانقر فوق إرسال | حسنا | منجز. في تطبيق الإخفاء ، حدد لا شيء ؛ ضمن تعديل قيمة p للتحكم ، اختر لا شيء ، بقيمة 0.001 ؛ قم بتعيين قيمة الحد & التمديد إلى 0.
   6. انقر فوق تطبيع (كتابة) | البيانات. في حقول التشوه، حدد الملف "iy_Crop_1" من مجلد T1Img. لكي تكتب الصورة، اختر قناع منطقة الدماغ M1. أدخل أحجام المربع المحيط الفردي وأحجام Voxel.
      ملاحظة: أدخل المربع المحيط وأحجام Voxel استنادا إلى الخصائص المحددة للبيانات.
   7. انقر فوق Coregister (Reslice) ، ثم حدد spmT_0001 من المجلد "indiv_act" ل Image Define Space. لكي يتم إعادة تشغيل الصورة ، اختر الملف "w * .nii" الذي تم إنشاؤه في الخطوة 4.1.6.
   8. حساب ذروة تنشيط المهمة الفردية: في MATLAB، قم بتشغيل التعليمات البرمجية الإيجابية للفرز . بالنسبة إلى InputName1 ، حدد مسار ملف "rw * .nii" الذي تم إنشاؤه في الخطوة 4.1.7 ؛ بالنسبة إلى InputName2 ، حدد مسار الملف "spmT_0001" من المجلد "indiv_act" ؛ بالنسبة إلى InputName3، حدد مسار مجلد الإخراج. أول إحداثيات X بقيمة سالبة (نصف الكرة الأيسر) في النتائج التي تم فرزها هي ذروة تنشيط المهمة الفردية. سجل إحداثيات هذه النقطة.
2. حدد موقع الهدف الفردي الخاص بالوظيفة (يتم التنقل فيه).
   1. حدد شدة إخراج المحفز بناء على RMT للمشارك.
   2. استخدم نظام ملاحة عصبية للتتبع البصري التجسيمي بدون إطار ، مع جلوس المشارك بشكل مريح وارتداء معاير مثبت على الرأس.
   3. انقر فوق الخيار التشريحي : قم باستيراد الصور الهيكلية المرجحة T1 للمشارك إلى نظام الملاحة لنمذجة الرأس.
   4. انقر فوق خيار إعادة الإعمار : أعد بناء الجلد على الصورة.
   5. انقر فوق خيار المعالم: استخدم أداة المترجم لتمييز أربعة معالم (الأنف ، وطرف الأنف ، ونقاط الأذن على كلا الجانبين) على الرأس.
   6. انقر فوق خيار الهدف : تحديد وتحديد المسار المستهدف في منطقة الدماغ. حدد موقع هدف التحفيز على الصور الفردية للمشارك. بعد تحديد الموضع ، حرك الهدف لمحاذاة الشعيرات المتقاطعة. توطين TMS كامل.
      ملاحظة: اجعل الملف مماسا لفروة الرأس وقم بمحاذاة تركيز التحفيز مع الهدف.
3. حدد موقع الهدف الفردي الخاص بالوظيفة (غير المتنقل).
   ملاحظة: يتم توفير جميع التعليمات البرمجية لتوطين هدف فروة الرأس في الملف التكميلي 2.
   1. استخدم SPM12 لتقسيم قالب الدماغ القياسي لمعهد مونتريال للأعصاب (MNI) (mni_icbm152_t1_tal_nlin_asym_09c.nii ، الموجود في مجلد القوالب في DPABI) للحصول على قناع فروة الرأس القياسي. الخطوات المحددة هي كما يلي:
      1. افتح SPM12 ، وانقر فوق fMRI ، ثم حدد مقطع من القائمة المنبثقة. في واجهة المعلمات ، انقر فوق الزر "المجلدات" ، وحدد ملف قالب الدماغ القياسي (أي قالب دماغ MNI) من خيار المجلدات ، ثم انقر فوق حقول التشوه لتحديد معكوس + إلى الأمام.
      2. حدد الحواف الداخلية والخارجية لفروة الرأس القياسية: في MATLAB ، قم بتشغيل حواف الكود. في النافذة المنبثقة ، حدد صورة c5.nii ، وانقر فوق تم ، وقم بإنشاء ملف "c5_edges.nii".
      3. حدد صورة الحافة الخارجية لفروة الرأس القياسية: في MATLAB ، قم بتشغيل كود outer_edge . في الواجهة المنبثقة ، حدد ملف c5_edges.nii وانقر فوق تم لإنشاء ملف "c5_outer_edge.nii" ، والذي يمثل حدود فروة الرأس في المساحة القياسية.
   2. استخدم SPM12 لتحويل حافة فروة الرأس القياسية مرة أخرى إلى مساحة فردية. في واجهة القائمة ، انقر فوق تطبيع (كتابة) ، ثم في واجهة المعلمات ، انقر فوق البيانات. في حقول التشوه، حدد الملف iy_sub*.nii من المجلد T1Img. اختر c5_outer_edge.nii للصور المراد كتابتها، وأدخل المربع المحيط الفردي وأحجام الفوكسل.
   3. تحويل الإحداثيات القشرية إلى إحداثيات فروة الرأس: افتح كود TransCortex2Scalp في MATLAB وقم بتنفيذ السطر الأول. في الواجهة المنبثقة، أدخل إحداثيات نقطة تنشيط المهمة الفردية وحدد الملف wc5_outer_edge.nii . سجل إحداثيات فروة الرأس.
   4. افتح DPABI_Viewer ، وانقر فوق Underlay ، وحدد الصورة الهيكلية T1 الفردية. حدد موقع وسجل إحداثيات النقاط الأربع البارزة: القمم الأذنية اليمنى واليسرى ، والناسيون ، والإنيون.
   5. تحديد أصل فروة الرأس: افتح رمز التقاطع في MATLAB. في المحرر ، أدخل إحداثيات النقاط الأربع البارزة في مواقعها المحددة. قم بتشغيل الكود لحساب إحداثيات تقاطع الخط الذي يربط أطراف الأذن اليمنى واليسرى بالخط الذي يربط بين الأنف والإنيون ، ثم سجل الإحداثيات.
   6. حرك نقطة التقاطع على طول المحور Z إلى فروة الرأس: افتح رمز الأصل في MATLAB. أدخل إحداثيات نقطة التقاطع في موضع تحديد النقطة H في المحرر. قم بتشغيل التعليمات البرمجية، ثم حدد ملف wc5_outer_edge.nii في النافذة المنبثقة للحصول على إحداثيات أصل فروة الرأس O.
      1. ارسم خطا يربط طرفي الأذن لتحديد المحور X ، وخطا يربط بين الأنف والنتوء القذالي الخارجي لتحديد المحور Y. يحدد المحور العمودي على كليهما المحور Z. المستوى ثنائي الأبعاد الذي يتكون من المحور XY هو المستوى XY.
   7. احسب المسافة الفعلية من أصل فروة الرأس O إلى كل نقطة: قم بتشغيل رمز المسافة ، وحدد ملف wc5_outer_edge في الواجهة المنبثقة ، وفي نافذة الأوامر ، اتبع المطالبات لإدخال أصل فروة الرأس وهدف فروة الرأس ونقاط المعالم الأربع.
      ملاحظة: تشير "كل نقطة" إلى النقاط الأربع المميزة لفروة الرأس في الخطوة 4.3.4 وهدف فروة الرأس. يمكن لهذا الرمز فقط حساب مسافة القوس بين نقطة وأخرى في كل مرة. لحساب المسافة بين زوج مختلف من النقاط ، تحتاج إلى تشغيل الكود مرة أخرى.
   8. احسب الزاوية بين الخط الذي يربط هدف فروة الرأس وأصل فروة الرأس والمحور X في المستوى XY: افتح calculate_angle_X_axis الكود وقم بتشغيل السطر الأول. في نافذة الأوامر ، أدخل إحداثيات أصل فروة الرأس وهدف التحفيز كما هو مطلوب.
   9. استخدم مسطرة الاستهداف (كما هو موضح في الشكل 3) لإصلاح موضع المسطرة الناعمة المقابل بناء على المسافة والزاوية المحسوبة في الخطوات السابقة. ضع علامة على فروة الرأس بقلم قابل للغسل. أكمل توطين هدف تحفيز فروة الرأس (الشكل 4).
4. rTMS
   1. حدد الوضع المتكرر لتعيين معلمات التحفيز ، بما في ذلك شدة التحفيز ، والتردد (10 هرتز) ، والمدة (3 ثوان) ، وعدد النبضات في كل قطار (30 نبضة) ، ووقت الانتظار (12 ثانية) ، وعدد القطارات (60 قطارا) ، والعدد الإجمالي للنبضات التي يتم تسليمها يوميا (1,800 نبضة).
   2. احفظ الجلسة واضغط على زر التشغيل لبدء التحفيز.
      ملاحظة: يتم تعيين شدة التحفيز وفقا ل RMT للمشارك ، والذي تم تعيينه في هذه الدراسة على 100٪ RMT.
   3. في غضون نصف ساعة بعد انتهاء التحفيز ، اطلب من المشارك الخضوع لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي آخر ، باستخدام نفس تسلسل المسح المستخدم قبل التحفيز.

5. الكشف عن التأثير المعدل rTMS (معالجة وتحليل بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي)

ملاحظة: استخدم برنامج المعالجة المسبقة لإجراء المعالجة المسبقة لبيانات RS-fMRI، والتي تتضمن الخطوات المحددة التالية:

1. قم بإزالة أول 10 نقاط زمنية لتحقيق توازن الإشارة والسماح للمشاركين بالتكيف مع ضوضاء الماسح الضوئي.
2. تصحيح تأخير وقت الاستحواذ بين الشرائح.
3. إجراء تصحيح حركة الرأس.
   ملاحظة: يمكن تعيين حدود مختلفة لحركة الرأس بناء على متطلبات الدراسة المحددة.
4. تطبيع الصور الوظيفية إلى مساحة MNI باستخدام قالب EPI.
5. تراجع عن الإشارات المزعجة ، بما في ذلك تلك الصادرة عن المادة البيضاء والسائل النخاعي وستة معلمات لحركة الرأس.
6. إزالة الاتجاهات الخطية.
7. تطبيق تصفية ممر النطاق الترددي (0.01-0.1 هرتز).
8. قم بإجراء التنعيم المكاني باستخدام نواة غاوسية بقوة FWHM 6 مم.
9. احسب مقاييس نشاط الدماغ بعد المعالجة المسبقة ، بما في ذلك سعة تذبذب التردد المنخفض (ALFF) والاتصال الوظيفي (FC). احسب الاختلافات في مقاييس نشاط الدماغ المحلي (ALFF و FC) بين ما قبل rTMS وما بعد rTMS في كل من الظروف الملاحية وغير الملاحية ، وإجراء اختبارات t مقترنة على خرائط الفرق (تصحيح GRF ، voxel p < 0.001 ، المجموعة ص < 0.05).

النتائج

أشارت نتائج اختبار t المزدوج و ANOVA ثنائي الاتجاه إلى عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية في التغييرات في ALFF أو FC قبل وبعد rTMS في كل من الظروف الملاحية وغير الملاحية (تصحيح GRF ، voxel p < 0.001 ، المجموعة ص < 0.05). لم تلاحظ فروق ذات دلالة إحصائية بين ظروف الملاحة وظروف عدم الملاحة. تتوافق هذه النتيجة مع توقعاتنا ، مما يشير إلى أن طريقة عدم التنقل لدينا ليس لها عيب كبير مقارنة بطريقة التنقل. لتجنب تقديم ادعاءات غير مدعومة بعدم وجود اختلافات كبيرة ، نقدم خرائط اختبار t ذات العينة الواحدة لكل من ظروف rTMS هنا (غير مصحح ، voxel p < 0.05) (الشكل 5). هذه النتائج لا تنجو من أي نوع من تعديل المقارنة المتعددة, مثل FDR أو تصحيح جنر. لتقييم تكافؤ التغيرات في وظائف المخ الناجمة عن الطرق غير الملاحية والملاحية ، تم إجراء تحليل للطاقة باستخدام كوهين د. أشارت النتائج إلى أن قيمة د كوهين ل ALFF كانت 0.22 ، بينما كانت قيمة d ل Cohen ل FC 0.56.

الشكل 1: نتائج اختبارات t المزدوجة. (أ) الاختلافات بين التوصيلية الوظيفية القائمة على التنشيط والنقطة الساخنة APB (تصحيح GRF، فوكسل واحد p < 0.001، مستوى نظام المجموعة p < 0.05). (ب) الاختلافات في تنشيط الدماغ بين مهام التنصت بالإصبع ذاتيا والموجهة بصريا في 25 مشاركا (تصحيح FDR ، q < 0.05). (ج) الاختلافات بين الاتصال الوظيفي القائم على تنشيط الحالة ذاتيا والموجهة بصريا في 35 مشاركا (تصحيح GRF ، فوكسل واحد ص < 0.001 ، المجموعة ص < 0.05). تم اقتباس الشكل 1 أ من Wang et al. (2020)⁵; تم إعداد الشكل 1 ب ، ج عن طريق استخراج مجموعة فرعية مختلفة من البيانات من Wang et al. (2023) ⁶. الاختصارات: APB = الخاطف Pollicis Brevis; GRF = حقل عشوائي غاوسي ؛ FDR = معدل الاكتشاف الكاذب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: مخطط انسيابي للتصميم التجريبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: رسم تخطيطي لمسطرة الاستهداف. (أ) منظر أمامي لمسطرة الاستهداف. 1. مقبض. 2. نقطة ربط فروة الرأس (أي أصل فروة الرأس في المستوى XY) ؛ 3. مسطرة قياس صلبة (مادة أكريليك) ؛ 4. مسطرة قياس قابلة للتدوير ومرنة (مادة السيليكون). (ب) عرض مكبر لنقطة ربط فروة الرأس (أي عرض مكبر 2 في أ). (ج) عرض مكبر لمسطرة القياس المرنة (أي المنظر الموسع للعددين 3 و 4 في A). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: تحويل الهدف القشري الخاص بالوظيفة إلى هدف فروة الرأس الخاص بالوظيفة. تمثل النقطة الحمراء الهدف القشري الخاص بالوظيفة ، وتمثل النقطة الخضراء هدف فروة الرأس الخاص بالوظيفة ، وتشير النقطة الزرقاء إلى أصل نظام الإحداثيات ثنائي الأبعاد على فروة الرأس. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: نتائج اختبارات t ذات العينة الواحدة. (أ) التأثيرات المعدلة للتحفيز المغناطيسي المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة غير الملاحية على وظائف المخ (ص < 0.05 ، غير مصحح). (ب) التأثيرات المعدلة rTMS على وظائف المخ (ص < 0.05 ، غير مصحح). الاختصارات: FC = الاتصال الوظيفي ؛ ALFF = اتساع تذبذب التردد المنخفض ؛ rTMS = التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: المعلمات المستخدمة في الإصدار المتقدم من DPARSF ، كما هو مذكور في قسم البروتوكول 4.1.1. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: المجلد المضغوط الذي يحتوي على رمز MATLAB المستخدم في هذه الدراسة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي S1: مهمة التنصت بالإصبع ذاتيا. تألفت المهمة من ثماني كتل ، مدة كل منها 30 ثانية ، مما أدى إلى طول إجمالي قدره 4 دقائق. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

في هذه الدراسة ، نقترح مفهوم الأهداف الخاصة بالوظيفة ، وهي مناطق دماغية مرتبطة بوظائف محددة تم تحديدها من خلال تقنيات التصوير العصبي. مستوحاة من الدراسات السابقة^8،9،10 ، قمنا بتطوير مجموعة أدوات جديدة^7،11،12 لتحديد أهداف فروة الرأس المقابلة للمناطق القشرية الخاصة بالوظيفة ، مما يتيح rTMS المستهدف الخاص بالوظيفة دون الحاجة إلى معدات الملاحة. بالمقارنة مع التحفيز باستخدام معدات الملاحة ، لم تلاحظ فروق ذات دلالة إحصائية في تأثيرات وظائف الدماغ. يشير هذا إلى أنه في بعض الحالات ، يمكن لطريقتنا تحقيق rTMS المستهدف الفردي الخاص بالوظيفة دون الحاجة إلى معدات ملاحة باهظة الثمن.

الخطوات الأساسية في البروتوكول التجريبي
لضمان دقة توطين rTMS غير الملاحي، يجب على المشغل محاذاة المقياس الموجود على مسطرة الاستهداف مع معالم الأذن اليمنى واليسرى والأذن الأيمن، والنيون، والنيون. يجب الضغط على الميزان بقوة على سطح فروة الرأس لتقليل أخطاء القياس الناتجة عن سمك الشعر. هذه العملية ضرورية لتحسين دقة التوطين وضمان الاستهداف الدقيق لموقع التحفيز.

تحسينات على الطريقة التجريبية والمشكلات التقنية المحتملة
نظرا لأن هذه الطريقة هي نسخة متقدمة من تقنية تم تطويرها مسبقا¹¹ ، فقد لم يتم تحديد أي مجالات للتحسين حتى الآن. فيما يتعلق بالمشكلات الفنية المحتملة ، قد تؤدي الاختلافات الفردية في شكل الجمجمة إلى نتوءات قذالية أقل بروزا لدى بعض المشاركين ، مما قد يؤدي إلى أخطاء في التوطين. في مثل هذه الحالات ، يمكن حذف نتوء القذالي ، ويمكن استخدام المعالم الأخرى (مثل علامات الأذن اليمنى واليسرى والأنف) للتوطين دون المساس بالدقة ، حيث تم بالفعل أخذ التكرار في الاعتبار في مرحلة التطوير.

قيود طريقة rTMS غير الملاحية
يتمثل الاختلاف الرئيسي مقارنة ب rTMS الملاحي في عدم القدرة على مراقبة المسافة النسبية للملف واتجاهه إلى هدف التحفيز في الوقت الفعلي. ومع ذلك ، حتى مع نظام rTMS الملاحي ، لا تزال المراقبة في الوقت الفعلي تتطلب من المشغلين ذوي الخبرة إجراء تعديلات يدوية.

أهمية الطريقة التجريبية بالنسبة للطرق الحالية
بالمقارنة مع معدات الملاحة ، لا تتطلب طريقتنا تحديد المواقع المطولة أو معايرة المعدات. بدلا من ذلك ، يقوم المستخدمون ببساطة بإدخال بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي في البرنامج النصي للرمز ثم حساب المسافات المقابلة عبر الكود ، وبعد ذلك يتم إكمال تحديد المواقع بسرعة باستخدام أداة قياس. بناء على تجربتنا ، توفر هذه الطريقة 15 دقيقة على الأقل مقارنة بالإجراءات المعقدة المتضمنة في الملاحة. تتطلب معدات الملاحة عادة أجهزة باهظة الثمن وتدريبا متخصصا ، بينما تتطلب طريقتنا فقط صور التصوير بالرنين المغناطيسي والحسابات القياسية لتحقيق توطين سريع ومريح ودقيق ، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف الأولية والتعقيد التشغيلي.

من حيث التكلفة ، تم منح أداة القياس الخاصة بنا براءة اختراع (ZL202411874788.9)¹². ، مما يساعد على حماية الملكية الفكرية ولكنه لا يزيد بشكل كبير من تكاليف الإنتاج. النمذجة ثلاثية الأبعاد جارية حاليا ، وسنكون قادرين قريبا على طباعة الأداة ثلاثية الأبعاد للمتعاونين السريريين بيننا. وقد أدمجت اعتبارات التكلفة في مرحلة التصميم منذ البداية. بالنسبة لغير المتعاونين الذين يرغبون في شراء الأداة ، يبلغ السعر 500 يوان صيني فقط (حوالي 70 دولارا أمريكيا) ، وهو ما يظل في متناول الجميع على الرغم من حماية براءات الاختراع.

أهمية الطريقة وتطبيقاتها المحتملة في مجالات بحثية محددة
اكتسب التدخل والعلاج في التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة شعبية متزايدة في كل من المجالات البحثية والسريرية في السنوات الأخيرة. مثل جميع التقنيات العلاجية ، يتجه التطور نحو علاجات دقيقة وفردية تستهدف وظائف محددة. ومع ذلك ، فإن أنظمة ومعدات الملاحة باهظة الثمن ، ولا تستطيع معظم المستشفيات في الصين حاليا الوصول إلى مثل هذه الأجهزة. تعالج هذه الطريقة مشكلة rTMS المستهدف الفردي الخاص بالوظيفة دون الحاجة إلى التنقل. يعرض إحداثيات الهدف القشرية على فروة الرأس ويستخدم أداة لتمييز الإحداثيات على سطح فروة الرأس. تتطابق طريقة الاستهداف القشرية القائمة على الرنين المغناطيسي الوظيفي المستخدم في هذا النهج مع إحداثيات هدف الرنين المغناطيسي الوظيفي التي تستخدمها أنظمة ومعدات الملاحة دوليا. على الرغم من أنه لا يمكنه مراقبة المسافة والاتجاه النسبي في الوقت الفعلي بين الملف وهدف التحفيز ، إلا أنه لا يزال يوفر مزايا مقارنة بطرق "الاستهداف الأعمى" السريرية الحالية (مثل استخدام المعالم التشريحية على سطح الجلد أو اختيار النقطة الساخنة لمحرك اليد). تعمل هذه الطريقة كنهج انتقالي بين التنقل الدقيق في الوقت الفعلي و "الاستهداف الأعمى". بالنسبة للمؤسسات السريرية التي لا تحتوي على أنظمة ومعدات ملاحة ، يمكنها حل المشكلات السريرية العملية. ستعزز هذه الطريقة بشكل كبير العلاج الدقيق TMS الموجه بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، مما يؤدي إلى اكتشاف أهداف تحفيز أكثر فعالية وتحسين فعالية العلاجات لمختلف الاضطرابات العصبية والنفسية.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brainsight Neuronavigation system	Rogue Research Inc.	KITBSF0104
DPABI_V7.0 toolkit	DeepBrain		for RS-fMRI and task-based fMRI data analysis
Magstim Rapid2	The MAGSTIM Company Limited	3012-00
SPM12 (7771)	Wellcome Centre for Human Neuroimaging		for RS-fMRI and task-based fMRI data analysis
The Brainsight 2 channel electromyography acquisition device	Rogue Research Inc.	NTBX001001