Neuronavigierte fokalisierte transkranielle Gleichstromstimulation während der funktionellen Magnetresonanztomographie

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Methode der neuronavigierten Elektrodenplatzierung für die fokale, transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), die während der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) verabreicht wird.

Zusammenfassung

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die es ermöglicht, die Erregbarkeit und Plastizität des menschlichen Gehirns zu modulieren. Fokussierte tDCS-Setups verwenden spezifische Elektrodenanordnungen, um den Stromfluss auf umschriebene Hirnregionen zu beschränken. Die Wirksamkeit der fokalisierten tDCS kann jedoch durch Fehler bei der Elektrodenpositionierung auf der Kopfhaut beeinträchtigt werden, was zu einer signifikanten Verringerung der aktuellen Dosis führt, die die Zielregionen des Gehirns für tDCS erreicht. Die Elektrodenplatzierung, die durch Neuronavigation auf der Grundlage der Kopf- und Gehirnanatomie der Person gesteuert wird, die aus strukturellen Magnetresonanztomographie-Daten (MRT) abgeleitet wird, kann geeignet sein, die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern.

Dieses Protokoll beschreibt die Methode der neuronavigierten Elektrodenplatzierung für einen fokalisierten tDCS-Aufbau, der für die gleichzeitige Verabreichung während der funktionellen MRT (fMRT) geeignet ist. Wir quantifizieren auch die Genauigkeit der Elektrodenplatzierung und untersuchen die Elektrodendrift in einem gleichzeitigen tDCS-fMRT-Experiment. Zu den kritischen Schritten gehören die Optimierung der Elektrodenpositionen auf der Grundlage einer aktuellen Modellierung, die die Kopf- und Gehirnanatomie des Individuums berücksichtigt, die Implementierung einer neuronavigierten Elektrodenplatzierung auf der Kopfhaut und die Verabreichung von optimierter und fokaler tDCS während der fMRT.

Die regionale Genauigkeit der Elektrodenplatzierung wird mit Hilfe der euklidischen Norm (^L2-Norm) quantifiziert, um Abweichungen der tatsächlichen von den beabsichtigten Elektrodenpositionen während einer gleichzeitigen tDCS-fMRT-Studie zu bestimmen. Eine mögliche Verschiebung der Elektroden (Drift) während des Experiments wird durch den Vergleich der tatsächlichen Elektrodenpositionen vor und nach der fMRT-Aufnahme untersucht. Darüber hinaus vergleichen wir die Platzierungsgenauigkeit von neuronavigierten tDCS direkt mit der eines kopfhautbasierten Targeting-Ansatzes (ein 10-20-Elektroenzephalographie (EEG)-System). Diese Analysen zeigen eine überlegene Platzierungsgenauigkeit für die Neuronavigation im Vergleich zur kopfhautbasierten Elektrodenplatzierung und eine vernachlässigbare Elektrodendrift über einen Scanzeitraum von 20 Minuten.

Einleitung

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die die Modifikation der Kognition und physiologischer Hirnfunktionen in experimentellen und klinischen Kontexten ermöglicht ^1,2,3. Die akute Verabreichung von tDCS kann zu vorübergehenden Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit führen, wobei die Nachwirkungen Minuten bis Stunden nach der Stimulation anhalten ^4,5. Der angelegte Strom induziert keine Aktionspotentiale, sondern verschiebt das Ruhemembranpotential des Neurons vorübergehend in Richtung De- oder Hyperpolarisation, was zu einer erhöhten oder verminderten neuronalen Erregbarkeit auf makroskopischer Ebene unter Verwendung von Standardprotokollen^{führt 4,5,6}. Darüber hinaus haben Tier- und Humanstudien in Bezug auf die synaptischen Plastizitätseffekte von tDCS gezeigt, dass tDCS langfristige Potenzierungs- und Depressionsprozesse (LTP und LTD) induziert ^4,5.

Im motorischen System ermöglicht die Modulation motorisch evozierter Potentiale (MEPs) eine direkte Beurteilung der neurophysiologischen Auswirkungen von tDCS auf die lokale kortikale Erregbarkeit⁷. Dieser Ansatz kann jedoch die neuronalen Auswirkungen von tDCS auf kognitive Funktionen höherer Ordnung, die von groß angelegten funktionellen Gehirnnetzwerken unterstützt werden, nicht quantifizieren⁸. Die Auswirkungen auf die Netzwerke des Gehirns können durch die Kombination von tDCS mit modernen funktionellen bildgebenden Verfahren untersucht werden ^9,10. Unter diesen hat sich die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zum am häufigsten verwendeten Ansatz entwickelt, da sie eine hervorragende räumliche und ausreichende zeitliche Auflösung bietet, um die neuronalen Mechanismen aufzudecken, durch die tDCS die lokale Gehirnaktivität an der Stimulationsstelle und in großflächigen neuronalen Netzwerken beeinflusst ^11,12,13,14.

Bisher wurden in kombinierten fMRT-tDCS-Studien hauptsächlich sogenannte konventionelle tDCS-Setups verwendet, bei denen relativ große Gummielektroden zwischen 25 und 35 cm² (5 x 5 cm² und 5 x 7 cm²) in salzgetränkte Schwammtaschen eingeführt werden^15,16. Diese Aufbauten projizieren den Strom zwischen zwei Elektroden, die typischerweise über (a) einer Zielhirnregion für tDCS und (b) einer Rückelektrode über Nicht-Zielhirnregionen oder extrakranielle Bereiche (z. B. die Schulter) angebracht sind. Dies führt zu einem weit verbreiteten Stromfluss durch das Gehirn, der andere Regionen als die Zielregion betrifft, wodurch kausale Annahmen und Interpretationen über den neuronalen Ursprung von tDCS-Effekten kompliziert^{werden 17}.

Eine präzisere räumliche Zielerfassung kann durch fokussiertes tDCS¹⁸ erreicht werden. Diese Aufbauten verwenden Arrays kleinerer Elektroden, die in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, oder unter Verwendung einer ringförmigen Kathode, die um eine mittlere Anode angeordnet ist, um den Stromfluss zum Zielbereich^{18, 19} zu beschränken. Computersimulationen des elektrischen Stromflusses deuten darauf hin, dass fokussierte tDCS zu einer höheren räumlichen Präzision des Stromflusses in den Zielbereich führen können als herkömmliche Montagen²⁰. Darüber hinaus haben Verhaltensstudien eine regionale und aufgabenspezifische Verhaltensmodulation unter Verwendung von fokussierten Setups gezeigt 19,21,22. Allerdings haben nur wenige Studien fokalisierte tDCS während der fMRT verwendet. Diese Studien konnten die Machbarkeit dieses Ansatzes nachweisen und lieferten den ersten Beweis für eine regionenspezifische neuronale Modulation^19,23.

Aufgrund der regional präzisen Stromabgabe können fokussierte tDCS-Setups jedoch empfindlicher gegenüber Elektrodenpositionierungsfehlern auf der Kopfhaut sein als herkömmliche Montagen. Zum Beispiel zeigten Seo et al., dass Positionierungsfehler von 5 mm in einem fokussierten motorischen Kortex-Setup die somatische Polarisation im Handknopf um bis zu 87 % ^{reduzierten24}. Darüber hinaus zeigte eine kürzlich durchgeführte computergestützte Modellierungsstudie, dass die Verschiebung der Elektroden von den vorgesehenen Positionen für den Fokus im Vergleich zu herkömmlichen Setups zu einer signifikanten Reduzierung der Stromdosis in den Zielregionen für tDCS führte, die zwischen 26 % und 43 % ^lag25. Daher wurde der Schluss gezogen, dass zukünftige Studien routinemäßig geeignete Methoden zur Verbesserung der Elektrodenpositionierung und zur Überprüfung der Elektrodenpositionierung vor und nach fMRT⁵ einbeziehen sollten.

In der vorliegenden Arbeit beschreiben wir die Methode der neuronavigierten Elektrodenpositionierung für einen neuartigen fMRT-kompatiblen fokalen 3 x 1 tDCS-Aufbau (d.h. drei einzelne Kathoden, die in einem Kreis um eine einzige Zentrumsanode angeordnet sind), der derzeit in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsverbund (DFG-Forschergruppe 5429, https://www.memoslap.de). Das Konsortium untersucht verhaltensbezogene und neuronale Effekte von fokussierten tDCS auf Lernen und Gedächtnis sowie Prädiktoren der Stimulationsreaktion in vier funktionellen Bereichen (d.h. visuell-räumliche, sprachliche, motorische und exekutive Funktionen). Strukturelle T1- und T2-gewichtete MRT-Daten der Studienteilnehmer werden während eines Baseline-Scans erhoben. Diese Daten werden für individualisierte Stromflusssimulationen²⁶ verwendet, um Kopfhautpositionen von Elektroden zu bestimmen, die den Stromfluss in die Zielregion bei einzelnen Studienteilnehmern maximieren. Als Beispiel beschreibt dieses Protokoll das neuronavigierte Targeting von individuell bestimmten Elektrodenpositionen, die über dem rechten dorsolateralen präfrontalen Kortex (rDLPFC) zentriert sind, bei einem Teilnehmer.

Der repräsentative Ergebnisteil basiert auf strukturellen Bildgebungsdaten, die vor und nach der gleichzeitigen tDCS-fMRT in drei Teilprojekten der Forschergruppe erhoben wurden. Diese Studien zielten auf den rechten okzipitotemporalen Kortex (rOTC), den linken temporo-parietalen Kortex (lTPC) und den rDLPFC ab. Die Daten wurden an der Klinik für Neurologie der Universitätsmedizin Greifswald erhoben. Mit diesen Daten wollten wir zwei Hauptziele erreichen: (1) die räumliche Präzision der neuronavigierten Elektrodenplatzierung durch den Vergleich der "beabsichtigten" mit empirisch ermittelten "tatsächlichen" Elektrodenpositionen²⁵ zu quantifizieren und (2) den Grad der Elektrodenverschiebung im Verlauf der fMRT-Sitzungen (d.h. Elektrodendrift) zu untersuchen. Diese Faktoren sind entscheidend für die Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von tDCS-Effekten in gleichzeitigen tDCS-fMRT-Studien²⁷. Darüber hinaus wird die Zielgenauigkeit der neuronavigierten tDCS mit der eines kopfhautbasierten Ansatzes verglichen, wobei Daten aus einer früheren tDCS-fMRT-Studie unserer Gruppe²⁵ verwendet werden.

Protokoll

Alle in diesem Protokoll vorgestellten experimentellen Verfahren wurden von der Ethikkommission der Universitätsmedizin Greifswald geprüft und freigegeben. Alle Teilnehmer gaben vor dem Studieneinschluss eine Einverständniserklärung ab und erteilten die Erlaubnis zur anonymen Veröffentlichung ihrer Daten.

1. Screening von Kontraindikationen und allgemeine Überlegungen

1. Vor der Aufnahme in die Studie sollten die Teilnehmer mit geeigneten Fragebögen sorgfältig auf MRT²⁸- und tDCS 29-Kontraindikationen (z. B. Herzschrittmacher, Klaustrophobie, Krampfanfälle in der Vorgeschichte, Migräne, Hauterkrankungen auf der Kopfhaut [z. B. Psoriasis/Ekzeme]) untersucht werden.
2. Erläutern Sie den Teilnehmern die Studienziele und alle geplanten Verfahren und holen Sie eine schriftliche Einwilligungserklärung gemäß den lokalen Anforderungen ein.
3. Befolgen Sie die allgemeinen Verfahren zur Verbesserung der Berichterstattung und Reproduzierbarkeit von gleichzeitigen tDCS-fMRT-Experimenten und testen Sie auf potenzielle Bildgebungsartefakte, die durch das aktuelle und/oder tDCS-Gerät induziert werden, wie in der ContES-Checkliste³⁰ empfohlen.
4. Verwendung geeigneter Methoden zur Beurteilung der Verblindung von Teilnehmern und Prüfärzten^31,32 und möglicher unerwünschter Wirkungen von tDCS²⁹.

2. Basis-MRT-Scan und individuelle Strommodellierung

1. Führen Sie den Teilnehmer nach Abschluss der Sicherheitsüberprüfungen (d. h. Entfernen von Metallgegenständen wie Münzen, Halsketten, Piercings usw.) in den Scannerraum und positionieren Sie ihn bequem auf der MRT-Untersuchungsliege. Befestigen Sie den oberen Teil der Kopfspule und bewegen Sie den Teilnehmer gemäß den Herstellerangaben in die Bohrung des MRT-Scanners.
   HINWEIS: Wir haben einen 3T-Scanner verwendet, der mit einer 64-Kanal-Kopf-/Hals-Shim-Spule ausgestattet ist.
2. Registrieren Sie den neuen Teilnehmer über die Scanner-Schnittstelle, indem Sie auf Hauptmenü | Prüfung | Patientenregistrierung und füllen Sie die erforderlichen Felder aus. Gehen Sie zu Programmauswahl und erfassen Sie das geplante Bildgebungsprotokoll und wählen Sie es aus. Klicken Sie auf Patientenorientierung und wählen Sie die Option Kopf zuerst, Rückenlage . Wählen Sie im Dropdown-Menü Untersuchungsregion und Lateralität die Option Gehirn aus und klicken Sie dann auf Untersuchung , um zum Untersuchungsmenü zu gelangen.
3. Befolgen Sie die Anweisungen auf dem Bildschirm des vordefinierten Scanprotokolls (z. B. Anpassen des Sichtfelds usw.), um T1- und T2-gewichtete MRT-Sequenzen zu erfassen. Interagieren Sie bei Bedarf über das interne Kommunikationssystem des Scanners mit dem Teilnehmer.
   HINWEIS: Für die individualisierte Strommodellierung sind T1- und T2-gewichtete Bilder erforderlich. Das T1-gewichtete Bild wird auch für die Neuronavigation benötigt, um die geplanten und optimierten Positionen der Elektroden auf der Kopfhaut der Teilnehmer zu identifizieren.
4. Verwenden Sie das Skript in https://github.com/memoslap/Greifswald und die strukturellen Bildgebungsdaten, die während des MRT-Ausgangsscans erfasst wurden, um eine individuelle Strommodellierung durchzuführen (z. B. mit SimNIBS²⁶). Befolgen Sie die Schritte in der Readme.md-Datei, um die Finite-Elemente-Methode und individualisierte tetraedrische Kopfnetze anzuwenden, die aus den strukturellen T1- und T2-gewichteten Bildern des Teilnehmers (http://simnibs.org)26,33,34 erzeugt wurden; CHARM-Werkzeug ³⁵ für die Kopfrekonstruktion zur Bestimmung des elektrischen Spitzenfelds zur Bestimmung optimierter Zielpositionen für die Platzierung von tDCS-Elektroden über dem rDLPFC. In Abbildung 1 finden Sie ein Beispiel für das Ergebnis des für dieses Protokoll verwendeten Verfahrens.
   HINWEIS: Alternative Methoden zur Identifizierung von Kopfhautkoordinaten für neuronavigiertes Targeting sind möglich und hängen von studienspezifischen Verfahren ab.

3. Neuronavigation

1. Vorbereitende Schritte
   1. Schalten Sie den Steuerungscomputer der Neuronavigation und das Ortungssystem ein.
   2. Montageschritte: Bauen Sie alle erforderlichen Geräte für die Neuronavigation zusammen (Abbildung 2; für einen Überblick über den Aufbau der Neuronavigation siehe Ergänzende Abbildung S1). Die Ausrüstung in Abbildung 2 besteht aus (1) einem Probanden-Tracker, (2) einem Schraubendreher, (3) einer sechseckigen Stange, (4) einer Schutzbrille und (5) einem Zeiger. Befolgen Sie die nachstehenden Anweisungen, um die Montage abzuschließen.
      1. Lösen Sie die Schraube unter dem Motivtracker mit dem Schraubendreher.
      2. Führen Sie die längere Seite des Sechskantstabs in die Mutter ein, die am Motivtracker montiert ist, und ziehen Sie die Schraube fest.
      3. Lösen Sie die Schraube auf der linken Seite der Brille (so positionieren Sie die Brille, als ob Sie durch sie hindurchschauen würden).
      4. Führe die gegenüberliegende Seite des Sechskantstabs in die Mutter ein, die auf der linken Seite der Brille angebracht ist, und ziehe die Schraube der Brille fest.
         HINWEIS: Sie haben die Möglichkeit, den Motiv-Tracker auf der linken oder rechten Seite der Brille zu installieren. Diese Wahl hängt vom Zielbereich relativ zur Position der Kamera des Neuronavigationssystems (die den Zeiger und den Motiv-Tracker erkennen muss) in Bezug auf die Position des Teilnehmers ab. Im vorliegenden Beispiel wird der Tracker auf der linken Seite angebracht, so dass die Person, die die Verfolgung durchführt, nicht zwischen dem Tracker und der Kamera steht.
   3. Übertragen Sie die strukturelle T1-gewichtete (z.B. als Datei der Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI)) des jeweiligen Teilnehmers, die Sie in Schritt 2.3 erhalten haben. an den Steuerrechner des Neuronavigationssystems.
   4. Öffnen Sie die Neuronavigationssoftware und wählen Sie Neues leeres Projekt.
   5. Laden Sie das T1-gewichtete Bild des Teilnehmers und speichern Sie das Projekt, indem Sie Projekt speichern auswählen.
   6. Um die 3D-Kopfrekonstruktion zu starten, gehen Sie zum Abschnitt Rekonstruktionen im Hauptfenster der Anwendung. Klicken Sie auf Neu... | Skin, wodurch ein weiteres Fenster geöffnet wird. Rekonstruieren Sie die Haut, indem Sie die entsprechende Taste drücken. Passen Sie die Haut-/Luftschwelle an, wenn bei der Kopfrekonstruktion Verzerrungen festgestellt werden.
      HINWEIS: Es wird empfohlen zu überprüfen, ob der gesamte Kopf korrekt rekonstruiert ist. Eine gute Rekonstruktion der Nase und Ohren ist wichtig, um die im nächsten Schritt beschriebenen Orientierungspunkte zu erkennen.
   7. Konfigurieren Sie fünf Orientierungspunkte: Nasión, linkes und rechtes Nasenloch sowie linke und rechte präaurikuläre Gruben (LPA und RPA). Diese sind erforderlich, um den Teilnehmer im Abschnitt "Orientierungspunkte " des Hauptfensters der Anwendung zu registrieren (Einzelheiten finden Sie in der ergänzenden Abbildung S2).
   8. Konfigurieren Sie die Elektrodenposition für den rDLPFC im Abschnitt Ziele , indem Sie die x-, y- und z-Koordinaten der Anodenposition eingeben (bereitgestellt durch die in Schritt 2.4 beschriebenen individuellen Stromflusssimulationen), auf Neu hinzufügen klicken und Anode als Namen der Elektrodenposition eingeben. Wiederholen Sie den Vorgang für die drei Rückführelektroden.
2. Neuronavigierte Identifizierung von Elektrodenpositionen
   1. Positionieren Sie den Teilnehmer bequem auf einem Stuhl mit Blick auf die Tracking-Kamera. Bitten Sie ihn/sie, die Brille mit dem angebrachten Motivtracker aufzusetzen.
   2. Weisen Sie die Teilnehmer an, die Brille während des gesamten Neuronavigationsvorgangs nicht zu berühren. Dies ist entscheidend für eine präzise Registrierung der Landmarken und die Validierung der Elektrodenpositionen.
   3. Gehen Sie zur Registerkarte Sitzungen und wählen Sie in der linken Ecke im Dropdown-Menü Neu die Option Online-Sitzung aus. Wählen Sie die Registerkarte Polaris und überprüfen Sie die Sichtbarkeit des Motiv-Trackers und des Zeigers, indem Sie sie in das Sichtfeld der Kamera bewegen. Beide Geräte werden korrekt erkannt, wenn die entsprechenden roten Kreuze in der Werkzeugleiste (linke Seite des Anwendungsfensters) zu den grünen Häkchen wechseln.
   4. Wählen Sie den Abschnitt Registrierung aus, um die fünf vordefinierten Orientierungspunkte zu registrieren. Finden Sie den jeweiligen Orientierungspunkt, indem Sie den Zeiger senkrecht zum Kopf des Teilnehmers platzieren und die Sensoren auf die Kamera zeigen. Drücken Sie dann das Fußpedal des Neuronavigationssystems, um die Position zu bestätigen. Stellen Sie sicher, dass vor dem Namen jedes Orientierungspunkts ein grünes Häkchen angezeigt wird.
   5. Navigieren Sie zum Validierungsbereich und validieren Sie die Orientierungspunkte, indem Sie die Spitze des Zeigers auf die registrierten Orientierungspunkte platzieren und die beiden Entfernungsindizes überprüfen. Der erste Index zeigt den Abstand zwischen dem Fadenkreuz (virtuelle Zeigerspitze) und dem registrierten Orientierungspunkt, der zweite Index zeigt den Abstand zwischen dem Fadenkreuz und der rekonstruierten Haut.
      HINWEIS: Bei Verwendung der Standardparameter des Neuronavigationssystems bedeuten Indizes unter 5 mm eine ausreichende Genauigkeit, um den Validierungsschritt zu bestehen. Dies ist für viele experimentelle Kontexte akzeptabel. Aufgrund des optimierten Fokusaufbaus, der in diesem Protokoll verwendet wird, wird die Validierung von Elektroden jedoch nur akzeptiert, wenn die Abweichung von den vorgesehenen Koordinaten weniger als 1 mm beträgt (siehe Abbildung 3).
   6. Bewegen Sie den Mauszeiger über die Kopfhaut des Teilnehmers und überprüfen Sie das Fadenkreuz der rekonstruierten Kopfhaut auf dem Neuronavigationsmonitor. Wenn das Fadenkreuz mit der rekonstruierten Kopfhaut ausgerichtet bleibt, ohne sie zu durchdringen oder eine Lücke darüber zu schaffen, ist es akzeptabel, wenn auch nicht empfehlenswert, den nächsten Schritt zu überspringen.
   7. Nehmen Sie Proben für zusätzliche Punkte um die Positionen der Extrempunkte ab, z. B. ganz links, ganz rechts, ganz oben, ganz hinten und ganz vorne. Klicken Sie dazu für jede Position im Bereich "Orientierungspunkte" der Verfeinerung auf die Schaltfläche "Hinzufügen". Positionieren Sie als Nächstes den Zeiger auf der Zieloberfläche des Kopfes, stellen Sie sicher, dass die Spitze des Zeigers die Kopfhaut leicht berührt, und drücken Sie das Pedal, um die Position zu registrieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der Abstand zwischen Fadenkreuz und rekonstruierter Haut so gering wie möglich ist.
      HINWEIS: Verschiedene Neuronavigationssysteme können unterschiedliche Begrifflichkeiten verwenden, um sich auf diesen Prozess zu beziehen (z. B. Oberflächenregistrierung).
   8. Wählen Sie den Abschnitt Perform aus, und bewegen Sie den Mauszeiger auf die ungefähre Position des DLPFC, um die Position der mittleren Anode zu ermitteln (basierend auf den in Abbildung 1D angegebenen Koordinaten). Während Sie den Zeiger bewegen, beobachten Sie gleichzeitig den Bildschirm. Markieren Sie die Positionen der Elektroden, wenn die Spitze des Zeigers mit der Mitte des grünen Fadenkreuzes auf dem Bildschirm ausgerichtet ist.
   9. Bewegen Sie die Haare des Teilnehmers von der entsprechenden Stelle auf der Kopfhaut weg und markieren Sie die Positionen mit einem Hautmarker/Stift
   . Wiederholen Sie den Vorgang für die Positionen der drei Kathoden (siehe Abbildung 1D).
   10. Tragen Sie eine kleine Menge topischer Anästhesiecreme auf die vorgesehenen Positionen der Elektroden auf, um die körperlichen Empfindungen auf der Kopfhaut während der tDCS-fMRT zu reduzieren.
       HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass zwischen dem Auftragen der Creme und dem Starten des tDCS mindestens 20 Minuten vergehen.

4. tDCS-fMRT

1. Vorbereitung auf die gleichzeitige tDCS-fMRT
   1. Bereiten Sie fokale 3 x 1 tDCS mit einem Mehrkanal-Gleichstromstimulator (DC) vor.
   2. Verwenden Sie den Mehrkanal-Gleichstromstimulator³⁶ im normalen (nicht batteriebetriebenen) Modus. Stecken Sie den Netzstecker des Stimulators in dieselbe Steckdosenleiste wie der Scanner, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und Bildartefakte zu reduzieren (siehe auch Hinweise aus den Herstellerangaben).
   3. Stellen Sie sicher, dass alle notwendigen Stimulationsmaterialien verfügbar und sauber sind (Abbildung 4). Achten Sie besonders darauf, dass die Gummielektroden und 3D-Schablonen keine Paste aus früheren Versuchssitzungen enthalten.
      HINWEIS: Der in diesem Projekt verwendete Aufbau verwendet kundenspezifische Elektroden und Filterboxen, die in Zusammenarbeit mit dem Hersteller des DC-Stimulators entwickelt wurden, um die spezifischen Anforderungen der Forschergruppe zu erfüllen (siehe Abbildung 4A). Es können aber auch MRT-taugliche Standardkomponenten verwendet werden.
      1. Verwenden Sie eine 3D-gedruckte (thermoplastische) Elektrodenpasten-Füllhilfe, um das Auftragen der leitfähigen Elektrodenpaste vor dem Anbringen der Elektroden auf der Kopfhaut zu standardisieren (Abbildung 4A (9),B).
      2. Verwenden Sie einen 3D-gedruckten (thermoplastischen) Abstandshalter, um die Elektroden auf der Kopfhaut zu positionieren und sicherzustellen, dass die Abstände zwischen Anode und Kathoden während der fMRT-tDCS-Sitzungen eingehalten werden (Abbildung 4A (10),C).
         HINWEIS: Die benutzerdefinierten 3D-Vorlagen können über den folgenden Link aufgerufen werden: https://github.com/memoslap/Material
   4. Um den DC-Stimulator einzurichten, schließen Sie den DC-Stimulator an die äußere Box an (verwenden Sie das Kabel und den Adapter der äußeren Box). Verbinden Sie das Kabel der inneren Box mit der inneren und äußeren Box (siehe Abbildung 4).
   5. Tragen Sie 1 mm leitfähige Paste gleichmäßig auf die Oberfläche aller Elektroden des focal-tDCS 3x1 Aufbaus auf. Verwenden Sie die Elektrodenfüllhilfe, um die Pastendicke zu standardisieren. Bedecken Sie nur die Oberfläche der Elektrode mit der Paste und entfernen Sie die zusätzliche Paste.
   6. Schalten Sie den DC-Stimulator und den Panel-PC ein (in der angegebenen Reihenfolge). Doppelklicken Sie auf das DC-Stimulator MC Symbol auf dem Desktop. Wählen Sie die gewünschte Stimulationssequenz im Dropdown-Menü für die Einrichtung der ausgewählten Sequenz aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stimulator kalibrieren , um den Stimulator ohne elektrische Last zu kalibrieren (d. h. der Teilnehmer ist nicht mit dem Stimulator verbunden).
      ACHTUNG: Wenn der Teilnehmer während der Kalibrierung an den Stimulator angeschlossen ist, kann der elektrische Strom schmerzhafte Empfindungen hervorrufen.
   7. Positionieren Sie den Teilnehmer bequem in der Nähe des DC-Stimulators außerhalb des MRT-Scanner-Raums.
   8. Bestimmen Sie die breiteste Stelle des Kopfes des Teilnehmers, von der Stirn (knapp über den Augenbrauen) bis zum Hinterhauptbein am Hinterkopf, um die optimale Größe der EEG-Kappe zu wählen, um die Elektroden während der tDCS-fMRT-Sitzung an Ort und Stelle zu halten.
   9. Platzieren Sie die Elektroden im Abstandshalter, um einen gleichmäßigen Abstand der Kathoden um die mittlere Anode zu gewährleisten, und befestigen Sie die Elektroden über den identifizierten und markierten Kopfhautpositionen.
   10. Verwenden Sie die EEG-Kappe in optimaler Größe ohne Kunststoffeinsätze, um die Elektroden während der tDCS-fMRT an Ort und Stelle zu halten.
       HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass sich die Elektroden nicht verschieben, während die Kappe aufgesetzt ist.
   11. Verbinden Sie die Kabel der Elektrodenkabel mit der Innendose des DC-Stimulators, um eine Impedanzprüfung durchzuführen. Wählen Sie die gewünschte Stimulationssequenz im Dropdown-Menü für die Einrichtung der ausgewählten Sequenz aus. Starten Sie die Impedanzprüfung, indem Sie die Impedanzprüftaste am DC-Stimulator drücken. Stellen Sie sicher, dass der MR-Modus aktiviert ist.
   12. Führen Sie die Impedanzprüfung durch, indem Sie die entsprechende Taste auf der Schnittstelle des Stimulators drücken. Wenn die Impedanz ≤25 kΩ beträgt, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort (4.1.13). Wenn die Impedanz für eine Elektrode höher ist, drücken Sie die Elektroden sanft auf die Kopfhaut, ziehen Sie die Kappe fest und lassen Sie die leitfähige Paste erwärmen. Tragen Sie bei Bedarf mehr Paste auf.
   13. Trennen Sie die innere Box von der äußeren Box und setzen Sie die äußere Box in den Hohlleiter des Scanners ein.
   14. Führen Sie den Teilnehmer in den Scannerraum, während Sie sich an der inneren Box und den angeschlossenen Elektrodenkabeln festhalten.
       HINWEIS: Achten Sie zu jedem Zeitpunkt darauf, dass keine Spannungen auf den Kabeln entstehen, die zu einer Elektrodenverschiebung führen könnten.
   15. Bitten Sie den Teilnehmer, sich auf die MRT-Untersuchungsliege zu setzen und die innere Box wieder mit der äußeren Box (die in den Wellenleiter des Scanners eingesetzt ist) zu verbinden.
   16. Platzieren Sie den Teilnehmer bequem in Rückenlage auf der MRT-Untersuchungsliege, wobei der Kopf in der offenen Kopfspule positioniert ist. Verwenden Sie aufblasbare Kissen auf beiden Seiten des Kopfes und ein zusätzliches Kissen an der Oberseite des Kopfes, um ihn zu stabilisieren.
       HINWEIS: Aufblasbare Kissen werden an den Seiten gegenüber Schaumstoffkissen bevorzugt, um eine Verschiebung der Elektrode beim Einsetzen der Schaumstoffkissen zu vermeiden.
   17. Führen Sie die Elektrodenkabel durch den unteren Teil der Kopfspule, bevor Sie den oberen Teil der Kopfspule anbringen und verriegeln.
   18. Positionieren Sie die innere Box neben dem Teilnehmer auf der MRT-Untersuchungsliege und schieben Sie den Teilnehmer in die Scannerbohrung.
   19. Verlassen Sie den Scannerraum und informieren Sie den Teilnehmer über die Kommunikationsschnittstelle des Scanners über die Kommunikationsschnittstelle des Scanners vor jeder strukturellen und funktionellen Bildgebungssequenz sowie vor der zweiten Impedanzkontrolle im Inneren des Scanners.
2. Gleichzeitige tDCS-fMRT
   1. Registrieren Sie auf dem Panel-PC des Scanners den neuen Teilnehmer, indem Sie auf Hauptmenü | Prüfung | Patientenregistrierung und füllen Sie die erforderlichen Felder aus. Gehen Sie zu Programmauswahl und erfassen Sie das geplante Bildgebungsprotokoll und wählen Sie es aus. Klicken Sie auf Patientenorientierung und wählen Sie die Option Kopf zuerst, Rückenlage . Wählen Sie im Dropdown-Menü Untersuchungsregion und Lateralität die Option Gehirn aus und klicken Sie auf Untersuchung , um zum Untersuchungsmenü zu gelangen.
   2. Befolgen Sie die Anweisungen auf dem Bildschirm, um die geplanten Scans zu erfassen (Prä-fMRT Pointwise Encoding Time Reduction with Radial Acquisition (PETRA), fMRT, Post-fMRT PETRA) in der Reihenfolge, die in den folgenden Schritten dieses Protokolls gezeigt wird.
      1. Erwerben Sie einen PETRA-Scan , mit dem die Elektrodenpositionen am Kopf des Teilnehmers überprüft werden können.
      2. Informieren Sie den Teilnehmer darüber, dass zwei 10-minütige fMRT-Scans im Ruhezustand durchgeführt werden und dass er/sie den Blick für die gesamte Dauer des Scanzeitraums (2 x 10 min) auf ein Fixationskreuz (angezeigt über einen Projektor und auf der Kopfspule montierte Spiegel) richten soll.
      3. Starten Sie die tDCS-Stimulation, indem Sie die Init-Stimulationstaste am Panel-PC drücken. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start-Trigger freigeben, um die Stimulation mit einem Anlauf von 10 s zu starten, bevor Sie mit den funktionellen Bildgebungssequenzen beginnen. Verabreichen Sie tDCS für 20 min mit 2 mA.
         HINWEIS: Andere Stimulationsprotokolle mit unterschiedlichen Rampenperioden oder Stimulationsintensitäten oder -dauern sind möglich.
      4. Nach dem Ende der Funktionsscans und der Stimulationsphase wird ein zweiter PETRA-Scan durchgeführt, während die Elektroden noch am Kopf des Teilnehmers befestigt sind.
         HINWEIS: Im Vergleich zum Prä-fMRT-PETRA-Scan ermöglicht dies die Bestimmung der potentiellen Elektrodenbewegung über das tDCS-fMRT-Experiment (d. h. Drift).
   3. Trennen Sie nach Beendigung der MRT-Sitzung die Elektrodenkabel von der äußeren Box und schalten Sie den DC-Stimulator aus, bewegen Sie den Teilnehmer aus der Scannerbohrung, entfernen Sie die Kappe vom Kopf des Teilnehmers und entfernen Sie die Elektroden.
   4. Untersuchen Sie die Kopfhaut des Teilnehmers auf mögliche Hautrötungen, die durch die Stimulation verursacht wurden. Reinigen Sie die Kopfhaut des Teilnehmers, wo die Elektroden platziert wurden.
   5. Bitten Sie den Teilnehmer am Ende des Experiments, die Fragebögen zu tDCS-Nebenwirkungen²⁹ und Verblindung^31,32 auszufüllen.

Ergebnisse

Es wurden Daten von 43 gesunden jungen Teilnehmern (20 Männer/23 Frauen im Alter von 24,74 ± 5,50 Jahren) eingeschlossen. Die Teilnehmer absolvierten bis zu vier fMRT-Sitzungen. Die neuronavigierte Platzierung der Elektroden wurde vor jeder fMRT-Sitzung durchgeführt. Insgesamt wurden 338 Datensätze, die die Positionen der Zentrumsanoden vor und nach der fMRT darstellen, in die Datenanalyse einbezogen.

Um die beabsichtigten Positionen der E...

Diskussion

Kritische Schritte, mögliche Änderungen und Fehlerbehebung der Methode
Die genaue Positionierung der Elektroden ist ein entscheidender technischer Faktor bei tDCS-Experimenten, und Abweichungen von den beabsichtigten Kopfhautpositionen oder Elektrodendrift können den Stromfluss zu den beabsichtigten Zielhirnregionen beeinflussen^42,43. Dies ist besonders relevant für fokussierte tDCS, da die regionale Spezi...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brainsight neuronavigation system	Brainsight; Rogue Research Inc., Montréal, Canada
CR-5 Pro high temp 3D printer	CREALITY, Shenzhen, China
DC-STIMULATOR MC	NeuroConn GmbH, Ilmenau, Germany	https://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Cream 5%	Aspen, Dublin, Ireland
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 software	Siemens Healthineers AG, Forchheim, Germany
Polaris camera	Polaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Canada
Ten20 conductive EEG paste	Weaver and Company, Aurora, USA
TPU 3D printer filament	SUNLU 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 filament	Kimya, Nantes, France
PLA 3D printer filament	Filamentworld, Neu-Ulm, Deutschland
StarStim (Stimulator)	Neuroelectrics, Barcelona, Spain