Stimolazione transcranica a corrente continua focalizzata neuronavigata somministrata durante la risonanza magnetica funzionale

Riepilogo

Questo protocollo descrive il metodo di posizionamento neuronavigato degli elettrodi per la stimolazione focale transcranica a corrente continua (tDCS) somministrata durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI).

Abstract

La stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che consente la modulazione dell'eccitabilità e della plasticità del cervello umano. Le configurazioni tDCS focalizzate utilizzano specifiche disposizioni di elettrodi per vincolare il flusso di corrente a regioni cerebrali circoscritte. Tuttavia, l'efficacia della tDCS focalizzata può essere compromessa da errori di posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto, con conseguente riduzione significativa della dose corrente che raggiunge le regioni cerebrali bersaglio per la tDCS. Il posizionamento degli elettrodi guidato dalla neuronavigazione basato sull'anatomia della testa e del cervello dell'individuo derivato dai dati della risonanza magnetica strutturale (MRI) può essere adatto per migliorare l'accuratezza del posizionamento.

Questo protocollo descrive il metodo di posizionamento neuronavigato degli elettrodi per una configurazione tDCS focalizzata, adatta per la somministrazione concomitante durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Quantifichiamo anche l'accuratezza del posizionamento degli elettrodi e studiamo la deriva degli elettrodi in un esperimento concomitante tDCS-fMRI. Le fasi critiche riguardano l'ottimizzazione delle posizioni degli elettrodi sulla base della modellazione corrente che considera l'anatomia della testa e del cervello dell'individuo, l'implementazione del posizionamento neuronavigato degli elettrodi sul cuoio capelluto e la somministrazione di tDCS ottimizzata e focale durante la fMRI.

La precisione regionale del posizionamento degli elettrodi viene quantificata utilizzando la norma euclidea (norma L²) per determinare le deviazioni delle posizioni effettive degli elettrodi rispetto a quelle previste durante uno studio simultaneo tDCS-fMRI. Qualsiasi potenziale spostamento degli elettrodi (deriva) durante l'esperimento viene studiato confrontando le posizioni effettive degli elettrodi prima e dopo l'acquisizione della risonanza magnetica. Inoltre, confrontiamo direttamente l'accuratezza del posizionamento della tDCS neuronavigata con quella ottenuta con un approccio di targeting basato sul cuoio capelluto (un sistema di elettroencefalografia (EEG) 10-20). Queste analisi dimostrano un'accuratezza di posizionamento superiore per la neuronavigazione rispetto al posizionamento degli elettrodi basato sul cuoio capelluto e una deriva degli elettrodi trascurabile in un periodo di scansione di 20 minuti.

Introduzione

La stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che consente la modifica della cognizione e delle funzioni cerebrali fisiologiche in contesti sperimentali e clinici ^1,2,3. La somministrazione acuta di tDCS può avere cambiamenti transitori nell'eccitabilità neuronale, con effetti collaterali che durano da minuti a ore dopo la stimolazione ^4,5. La corrente applicata non induce potenziali d'azione, ma piuttosto sposta transitoriamente il potenziale di membrana a riposo del neurone verso la depolarizzazione o l'iperpolarizzazione, con conseguente aumento o diminuzione dell'eccitabilità neuronale a livello macroscopico utilizzando i protocolli standard ^4,5,6. Inoltre, per quanto riguarda gli effetti della tDCS sulla plasticità sinaptica, studi su animali e sull'uomo hanno dimostrato che la tDCS induce processi simili al potenziamento e alla depressione a lungo termine (LTP e LTD) ^4,5.

Nel sistema motorio, la modulazione dei potenziali evocati motori (MEPs) consente una valutazione diretta degli effetti neurofisiologici della tDCS sull'eccitabilità corticale locale⁷. Tuttavia, questo approccio non è in grado di quantificare gli effetti neurali della tDCS sulle funzioni cognitive di ordine superiore supportate da reti cerebrali funzionali su larga scala⁸. Gli effetti sulle reti cerebrali possono essere studiati combinando la tDCS con le moderne tecniche di imaging funzionale ^9,10. Tra questi, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è diventata l'approccio più frequentemente utilizzato perché fornisce un'eccellente risoluzione spaziale e temporale sufficiente per rivelare i meccanismi neurali attraverso i quali la tDCS influenza l'attività cerebrale locale nel sito di stimolazione e le reti neurali su larga scala 11,12,13,14.

Finora, gli studi combinati fMRI-tDCS hanno utilizzato principalmente le cosiddette configurazioni tDCS convenzionali, che utilizzano elettrodi di gomma relativamente grandi tra 25 e 35 cm² (5 x 5 cm² e 5 x 7 cm²) inseriti in tasche di spugna imbevute di soluzione salina^15,16. Queste configurazioni proiettano la corrente tra due elettrodi che sono tipicamente attaccati su (a) una regione cerebrale bersaglio per la tDCS e (b) un elettrodo di ritorno su regioni cerebrali non bersaglio o aree extracraniche (ad esempio, la spalla). Ciò si traduce in un flusso di corrente diffuso attraverso il cervello, che interessa regioni diverse dalla regione bersaglio, complicando così le ipotesi causali e le interpretazioni sull'origine neurale degli effetti della tDCS¹⁷.

Un targeting spaziale più preciso può essere ottenuto con la tDCS¹⁸ focalizzata. Queste configurazioni impiegano schiere di elettrodi più piccoli disposti in stretta vicinanza l'uno all'altro o utilizzando un catodo a forma di anello posizionato attorno a un anodo centrale per vincolare il flusso di corrente alla regione target^18,19. Le simulazioni al computer del flusso di corrente elettrica suggeriscono che la tDCS focalizzata può portare a una maggiore precisione spaziale del flusso di corrente verso la regione target rispetto ai montaggi convenzionali²⁰. Inoltre, studi comportamentali hanno dimostrato una modulazione comportamentale regionale e specifica per il compito utilizzando configurazioni focalizzate 19,21,22. Tuttavia, solo pochi studi hanno utilizzato la tDCS focalizzata durante la fMRI. Questi studi sono stati in grado di stabilire la fattibilità di questo approccio e hanno fornito le prime prove per la modulazione neurale region-specific^19,23.

Tuttavia, a causa dell'erogazione di corrente precisa a livello regionale, le configurazioni tDCS focalizzate possono essere più sensibili agli errori di posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto rispetto ai montaggi convenzionali. Ad esempio, Seo et al. hanno dimostrato che errori di posizionamento di 5 mm in una configurazione della corteccia motoria focalizzata riducono la polarizzazione somatica di picco nella manopola fino all'87%²⁴. Inoltre, un recente studio di modellazione computazionale ha dimostrato che lo spostamento dell'elettrodo dalle posizioni previste per le configurazioni focali rispetto alle configurazioni convenzionali ha comportato una significativa riduzione della dose di corrente nelle regioni target per la tDCS, che varia dal 26% al 43%²⁵. Pertanto, si è concluso che gli studi futuri dovrebbero includere di routine metodi appropriati per il miglioramento del posizionamento degli elettrodi e la verifica del posizionamento degli elettrodi prima e dopo la fMRI⁵.

Nel presente studio, descriviamo il metodo di posizionamento degli elettrodi neuronavigati per una nuova configurazione focale 3 x 1 tDCS compatibile con fMRI (cioè tre catodi individuali disposti in cerchio attorno a un singolo anodo centrale), che è attualmente in uso in un consorzio di ricerca collaborativa finanziato dalla Fondazione tedesca per la scienza (DFG Research Unit 5429, https://www.memoslap.de). Il consorzio studia gli effetti comportamentali e neurali della tDCS focalizzata sull'apprendimento e sulla memoria e i predittori della risposta alla stimolazione in quattro domini funzionali (ad esempio, funzioni visuo-spaziali, linguistiche, motorie ed esecutive). I dati MRI strutturali pesati in T1 e T2 dei partecipanti allo studio vengono acquisiti durante una scansione di base. Questi dati vengono utilizzati per simulazioni personalizzate del flusso di corrente²⁶ per determinare le posizioni del cuoio capelluto degli elettrodi che massimizzano il flusso di corrente verso la regione target nei singoli partecipanti allo studio. Ad esempio, questo protocollo descriverà il targeting neuronavigato di posizioni elettrodiche determinate individualmente centrate sulla corteccia prefrontale dorsolaterale destra (rDLPFC) in un partecipante.

La sezione dei risultati rappresentativi si basa sui dati di imaging strutturale acquisiti prima e dopo la simultanea tDCS-fMRI in tre sottoprogetti dell'Unità di Ricerca. Questi studi hanno preso di mira la corteccia occipitotemporale destra (rOTC), la corteccia temporo-parietale sinistra (lTPC) e rDLPFC. I dati sono stati acquisiti presso il Dipartimento di Neurologia dell'Università di Medicina di Greifswald. Utilizzando questi dati, abbiamo mirato a raggiungere due obiettivi principali: (1) quantificare la precisione spaziale del posizionamento degli elettrodi neuronavigato confrontando le posizioni "intenzionali" degli elettrodi rispetto a quelle "effettive"²⁵ determinate empiricamente e (2) indagare il grado di spostamento degli elettrodi nel corso delle sessioni di fMRI (cioè la deriva degli elettrodi). Questi fattori sono cruciali per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità degli effetti della tDCS negli studi concomitanti di tDCS-fMRI²⁷. Inoltre, l'accuratezza del targeting della tDCS neuronavigata viene confrontata con quella di un approccio basato sul cuoio capelluto utilizzando i dati di un precedente studio tDCS-fMRI del nostro gruppo²⁵.

Protocollo

Tutte le procedure sperimentali presentate in questo protocollo sono state esaminate e approvate dal comitato etico dell'Università di Medicina Greifswald. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato prima dell'inclusione nello studio e hanno concesso l'autorizzazione alla pubblicazione anonima dei loro dati.

1. Screening delle controindicazioni e considerazioni generali

1. Prima dell'arruolamento nello studio, esaminare attentamente i partecipanti per le controindicazioni MRI²⁸ e tDCS²⁹ (ad es. pacemaker, claustrofobia, anamnesi di convulsioni, emicrania, malattie della pelle sul cuoio capelluto [ad es. psoriasi/eczema]) utilizzando questionari appropriati.
2. Spiegare ai partecipanti gli obiettivi dello studio e tutte le procedure pianificate e ottenere il consenso informato scritto in base ai requisiti locali.
3. Seguire le procedure generali per migliorare la refertazione e la riproducibilità degli esperimenti concomitanti di tDCS-fMRI e testare potenziali artefatti di imaging indotti dall'apparecchiatura attuale e/o tDCS, come raccomandato dalla lista di controllo ContES³⁰.
4. Utilizzare metodi appropriati per valutare l'accecamento del partecipante e dello sperimentatore^31,32 e i potenziali effetti avversi della tDCS²⁹.

2. Risonanza magnetica di base e modellazione della corrente individualizzata

1. Dopo aver completato i controlli di sicurezza (ad esempio, rimozione di oggetti metallici dal partecipante, come monete, collane, piercing, ecc.), guidare il partecipante nella sala scanner e posizionarlo comodamente sul lettino da visita MRI. Fissare la parte superiore della bobina di testa e spostare il partecipante all'interno del foro dello scanner MRI secondo le specifiche del produttore.
   NOTA: Abbiamo utilizzato uno scanner 3T dotato di una bobina di spessore testa/collo a 64 canali.
2. Registrare il nuovo partecipante utilizzando l'interfaccia dello scanner facendo clic su Menu principale | Esame | Registrazione del paziente e compilare i campi richiesti. Andare su Scelta programma e raccogliere e selezionare il protocollo di imaging pianificato. Fare clic su Orientamento paziente e selezionare prima la testa, opzione Posizione supina . Dal menu a discesa Regione dell'esame e lateralità , scegli cervello e quindi fai clic su Esame per accedere al menu dell'esame.
3. Seguire le istruzioni sullo schermo del protocollo di scansione predefinito (come la regolazione del campo visivo, ecc.) per acquisire sequenze di risonanza magnetica pesate in T1 e T2. Interagisci con il partecipante tramite il sistema di comunicazione interna dello scanner, se necessario.
   NOTA: per la modellazione della corrente personalizzata sono necessarie immagini pesate in T1 e T2. L'immagine pesata in T1 è necessaria anche per la neuronavigazione per identificare le posizioni pianificate e ottimizzate degli elettrodi sul cuoio capelluto dei partecipanti.
4. Utilizzare lo script in https://github.com/memoslap/Greifswald e i dati di imaging strutturale acquisiti durante la risonanza magnetica di base per condurre una modellazione personalizzata della corrente (ad esempio, utilizzando SimNIBS²⁶). Seguire i passaggi nel file Readme.md per applicare il metodo degli elementi finiti e le mesh della testa tetraedrica personalizzate generate dalle immagini strutturali pesate in T1 e T2 del partecipante (http://simnibs.org)26,33,34 Strumento CHARM ³⁵ per la ricostruzione della testa per determinare il campo elettrico di picco per determinare le posizioni target ottimizzate per il posizionamento degli elettrodi tDCS sull'rDLPFC. Vedere la Figura 1 per un esempio del risultato della procedura utilizzata per questo protocollo.
   NOTA: Sono possibili metodi alternativi per l'identificazione delle coordinate del cuoio capelluto per il targeting neuronavigato e dipendono dalle procedure specifiche dello studio.

3. Neuronavigazione

1. Fasi preparatorie
   1. Accendere il computer di controllo della neuronavigazione e il sistema di tracciamento.
   2. Fasi di assemblaggio: assemblare tutta l'attrezzatura necessaria per la neuronavigazione (Figura 2; per una panoramica della configurazione della neuronavigazione, vedere la Figura S1 supplementare). L'attrezzatura nella Figura 2 è composta da (1) un tracker del soggetto, (2) un cacciavite, (3) un'asta esagonale, (4) occhiali e (5) puntatore. Seguire le istruzioni seguenti per completare il montaggio.
      1. Allentare la vite sotto il tracker del soggetto con il cacciavite.
      2. Inserire il lato più lungo dell'asta esagonale nel dado montato sul tracker in oggetto e serrare la vite.
      3. Allentare la vite sul lato sinistro degli occhiali (con gli occhiali posizionati come se si guardasse attraverso di essi).
      4. Inserire il lato opposto dell'asta esagonale nel dado montato sul lato sinistro degli occhiali e serrare la vite degli occhiali.
         NOTA: Hai la possibilità di installare il subject tracker sul lato sinistro o destro degli occhiali. Questa scelta dipende dall'area target relativa alla posizione della telecamera del sistema di neuronavigazione (che deve riconoscere il puntatore e il tracker del soggetto) in relazione alla posizione del partecipante. Nel presente esempio, il tracker è fissato sul lato sinistro in modo che la persona che esegue il tracciamento non si trovi tra il tracker e la telecamera.
   3. Trasferire il file strutturale pesato in T1 (ad esempio, come file NIfTI (Neuroimaging Informatics Technology Initiative)) del rispettivo partecipante ottenuto nel passaggio 2.3. al computer di controllo del sistema di neuronavigazione.
   4. Apri il software di neuronavigazione e scegli Nuovo progetto vuoto.
   5. Caricare l'immagine pesata in T1 del partecipante e salvare il progetto selezionando Salva progetto.
   6. Per avviare la ricostruzione 3D della testa, vai alla sezione Ricostruzioni nella finestra principale dell'applicazione. Clicca su Nuovo... | Skin, che aprirà un'altra finestra. Ricostruisci la pelle premendo il rispettivo pulsante. Regolare la soglia pelle/aria se si osservano distorsioni nella ricostruzione della testa.
      NOTA: Si consiglia di verificare se l'intera testa è stata ricostruita correttamente. Una buona ricostruzione del naso e delle orecchie è importante per rilevare i punti di riferimento descritti nel passaggio successivo.
   7. Configura cinque punti di riferimento: nasion, narici sinistra e destra e pozzetti preauricolari sinistro e destro (LPA e RPA). Questi sono necessari per registrare il partecipante nella sezione Punti di riferimento della finestra principale dell'applicazione (per i dettagli, vedere la Figura S2 supplementare).
   8. Configurare la posizione dell'elettrodo per l'rDLPFC nella sezione Target inserendo le coordinate x, y e z della posizione dell'anodo (fornite dalle simulazioni del flusso di corrente personalizzate descritte nel passaggio 2.4), fare clic su Aggiungi nuovo e digitare Anode come nome della posizione dell'elettrodo. Ripetere la procedura per i tre elettrodi di ritorno.
2. Identificazione neuronavigata delle posizioni degli elettrodi
   1. Posizionare comodamente il partecipante su una sedia di fronte alla telecamera di tracciamento. Chiedigli di indossare gli occhiali con il subject tracker allegato.
   2. Istruire i partecipanti a non toccare gli occhiali durante l'intera procedura di neuronavigazione. Questo è fondamentale per una registrazione precisa dei punti di riferimento e la convalida delle posizioni degli elettrodi.
   3. Vai alla scheda Sessioni e, nell'angolo sinistro, scegli Sessione online dal menu a discesa Nuovo . Seleziona la scheda Polaris e verifica la visibilità del tracker del soggetto e del puntatore spostandoli nel campo visivo della fotocamera. Entrambi i dispositivi vengono riconosciuti correttamente quando le croci rosse corrispondenti si trasformano in segni di spunta verdi nel pannello Strumenti (lato sinistro della finestra dell'applicazione).
   4. Seleziona la sezione Registrazione per registrare i cinque punti di riferimento predefiniti. Trova il rispettivo punto di riferimento posizionando il puntatore perpendicolarmente alla testa del partecipante con i sensori puntati verso la fotocamera. Quindi, premere il pedale del sistema di neuronavigazione per confermare la posizione. Assicurati che sia presente un segno di spunta verde davanti al nome di ciascun punto di riferimento.
   5. Naviga fino alla sezione di convalida e convalida i punti di riferimento posizionando la punta del puntatore sui punti di riferimento registrati e controlla i due indici di distanza; Il primo indice mostra la distanza tra il mirino (punta del puntatore virtuale) e il punto di riferimento registrato, il secondo indice mostra la distanza tra il mirino e la pelle ricostruita.
      NOTA: Quando si utilizzano i parametri predefiniti del sistema di neuronavigazione, indici inferiori a 5 mm indicano una precisione sufficiente per superare la fase di convalida. Questo è accettabile per molti contesti sperimentali. Tuttavia, a causa della configurazione focale ottimizzata utilizzata in questo protocollo, la convalida degli elettrodi è accettata solo se la deviazione dalle coordinate previste è inferiore a 1 mm (vedere la Figura 3).
   6. Sposta il puntatore sul cuoio capelluto del partecipante e controlla il mirino del cuoio capelluto ricostruito sul monitor di neuronavigazione. Se il mirino rimane allineato con il cuoio capelluto ricostruito senza penetrarlo o creare uno spazio sopra di esso, è accettabile, anche se sconsigliato, saltare il passaggio successivo.
   7. Campiona punti aggiuntivi attorno a posizioni di punti estremi, tra cui le posizioni più a sinistra, più a destra, più in alto, più dietro e più in primo piano. A tale scopo, fai clic sul pulsante Aggiungi nel pannello dei punti di riferimento di perfezionamento per ciascuna posizione. Quindi, posiziona il puntatore sulla superficie target della testa, assicurandoti che la punta del puntatore tocchi delicatamente il cuoio capelluto, e premi il pedale per registrare la posizione. Ripetere questo processo fino a quando la distanza tra il mirino e la pelle ricostruita è la più bassa possibile.
      NOTA: Diversi sistemi di neuronavigazione possono utilizzare una terminologia diversa per riferirsi a questo processo (ad esempio, registrazione della superficie).
   8. Selezionare la sezione Perform (Esegui ) e spostare il puntatore sulla posizione approssimativa del DLPFC per trovare la posizione dell'anodo centrale (in base alle coordinate fornite nella Figura 1D). Mentre si sposta il puntatore, osservare contemporaneamente lo schermo. Segnare le posizioni degli elettrodi quando la punta del puntatore si allinea con il centro del mirino verde sullo schermo.
   9. Allontanare i capelli del partecipante dall'area corrispondente sul cuoio capelluto e segnare le posizioni con un pennarello cutaneo/penna
   . Ripetere il processo per le posizioni dei tre catodi (vedere Figura 1D).
   10. Applicare una piccola quantità di crema anestetica topica nelle posizioni previste degli elettrodi per ridurre le sensazioni fisiche sul cuoio capelluto durante la tDCS-fMRI.
       NOTA: Assicurarsi che trascorrano almeno 20 minuti tra l'applicazione della crema e l'avvio della tDCS.

4. tDCS-fMRI

1. Preparazione per la simultanea tDCS-fMRI
   1. Preparare una tDCS focale 3 x 1 con uno stimolatore di corrente continua (CC) multicanale.
   2. Utilizzare lo stimolatore CC multicanale³⁶ in modalità normale (senza batteria). Inserire la spina di alimentazione dello stimolatore nella stessa ciabatta dello scanner per migliorare il rapporto segnale/rumore e ridurre gli artefatti di imaging (vedere anche le note delle specifiche del produttore).
   3. Assicurarsi che tutti i materiali necessari relativi alla stimolazione siano disponibili e puliti (Figura 4). Prestare particolare attenzione che gli elettrodi in gomma e le dime 3D non contengano pasta proveniente da precedenti sessioni sperimentali.
      NOTA: La configurazione utilizzata in questo progetto impiega elettrodi e scatole filtro personalizzati sviluppati in collaborazione con il produttore dello stimolatore CC per soddisfare i requisiti specifici dell'Unità di Ricerca (vedi Figura 4A). Tuttavia, è possibile utilizzare anche componenti standard compatibili con la risonanza magnetica.
      1. Utilizzare un coadiuvante di riempimento della pasta per elettrodi stampato in 3D (termoplastico) per standardizzare l'applicazione della pasta per elettrodi conduttivi prima di collegare gli elettrodi al cuoio capelluto (Figura 4A (9),B).
      2. Utilizzare un distanziatore stampato in 3D (termoplastico) per posizionare gli elettrodi sul cuoio capelluto e assicurarsi che le distanze tra l'anodo e i catodi siano mantenute durante le sessioni fMRI-tDCS (Figura 4A (10),C).
         NOTA: È possibile accedere ai modelli personalizzati in 3D utilizzando il seguente link: https://github.com/memoslap/Material
   4. Per configurare lo stimolatore CC, collegare lo stimolatore CC alla scatola esterna (utilizzando il cavo e l'adattatore della scatola esterna). Collegare il cavo della scatola interna alla scatola interna ed esterna (vedere la Figura 4).
   5. Applicare 1 mm di pasta conduttiva in modo uniforme sulla superficie di tutti gli elettrodi della configurazione focale-tDCS 3x1. Utilizzare l'ausilio di riempimento dell'elettrodo per standardizzare lo spessore della pasta. Coprire solo la superficie dell'elettrodo con la pasta e rimuovere l'eventuale pasta aggiuntiva.
   6. Accendere lo stimolatore CC e il Panel PC (nell'ordine indicato). Fare doppio clic sull'icona DC-Stimulator MC sul desktop. Selezionare la sequenza di stimolazione desiderata nel menu a discesa di impostazione della sequenza selezionata . Fare clic sul pulsante Calibra stimolatore per calibrare lo stimolatore senza carico elettrico (cioè, il partecipante non è collegato allo stimolatore).
      ATTENZIONE: Se il partecipante è collegato allo stimolatore durante la calibrazione, la corrente elettrica può indurre sensazioni dolorose.
   7. Posizionare comodamente il partecipante vicino allo stimolatore CC all'esterno della sala scanner MRI.
   8. Determinare la parte più larga della testa del partecipante, dalla fronte (appena sopra le sopracciglia) all'osso occipitale nella parte posteriore della testa, per scegliere la dimensione ottimale della cuffia EEG per mantenere gli elettrodi in posizione durante la sessione di tDCS-fMRI.
   9. Posizionare gli elettrodi nel distanziatore per garantire una spaziatura uniforme dei catodi attorno all'anodo centrale e fissare gli elettrodi sulle posizioni del cuoio capelluto identificate e contrassegnate.
   10. Utilizzare la cuffia EEG di dimensioni ottimali senza inserti in plastica per mantenere gli elettrodi in posizione durante la tDCS-fMRI.
       NOTA: Assicurarsi che gli elettrodi non si spostino mentre il cappuccio è posizionato in posizione.
   11. Collegare i conduttori dei cavi degli elettrodi alla scatola interna dello stimolatore CC per eseguire un controllo dell'impedenza. Selezionare la sequenza di stimolazione desiderata nel menu a discesa di impostazione della sequenza selezionata . Avviare il controllo dell'impedenza premendo il pulsante di controllo dell'impedenza sullo stimolatore CC. Assicurarsi che la modalità MR sia selezionata.
   12. Eseguire il controllo dell'impedenza premendo il rispettivo pulsante sull'interfaccia dello stimolatore; se l'impedenza è ≤25 kΩ, passare al passaggio successivo (4.1.13). Se l'impedenza è più alta per qualsiasi elettrodo, premere delicatamente gli elettrodi sul cuoio capelluto, stringere il cappuccio e lasciare che la pasta conduttiva si riscaldi. Se necessario, applicare altra pasta.
   13. Scollegare la scatola interna dalla scatola esterna e inserire la scatola esterna nella guida d'onda dello scanner.
   14. Guidare il partecipante nella sala scanner tenendo la scatola interna e i cavi degli elettrodi collegati.
       NOTA: In qualsiasi momento, prestare molta attenzione che non vi siano tensioni sui cavi, che potrebbero causare lo spostamento dell'elettrodo.
   15. Chiedi al partecipante di sedersi sul lettino dell'esame MRI e di ricollegare la scatola interna alla scatola esterna (che è inserita nella guida d'onda dello scanner).
   16. Posizionare comodamente il partecipante in posizione supina sul lettino da visita della risonanza magnetica, con la testa posizionata nella bobina di testa aperta. Usa cuscini gonfiabili su entrambi i lati della testa e un cuscino extra nella parte superiore della testa per stabilizzarla.
       NOTA: I cuscini gonfiabili sono preferiti ai lati rispetto ai cuscini in schiuma per evitare lo spostamento degli elettrodi quando i cuscini in schiuma sono inseriti.
   17. Far passare i cavi degli elettrodi attraverso la parte inferiore della bobina di testa prima di collegare la parte superiore della bobina di testa e bloccarla in posizione.
   18. Posizionare la scatola interna accanto al partecipante sul tavolo dell'esame MRI e spostare il partecipante nel foro dello scanner.
   19. Lasciare la sala scanner e informare il partecipante sulle procedure imminenti tramite l'interfaccia di comunicazione dello scanner prima di ogni sequenza di imaging strutturale e funzionale, nonché prima del secondo controllo dell'impedenza all'interno dello scanner.
2. TDCS-fMRI concomitante
   1. Sul Panel PC dello scanner , registrare il nuovo partecipante facendo clic su Menu principale | Esame | Registrazione del paziente e compilare i campi obbligatori richiesti. Andare su Scelta programma e raccogliere e selezionare il protocollo di imaging pianificato. Fare clic su Orientamento paziente e selezionare prima la testa, opzione Posizione supina . Dal menu a discesa Regione dell'esame e lateralità , scegli cervello e fai clic su Esame per accedere al menu dell'esame.
   2. Seguire le istruzioni sullo schermo per acquisire le scansioni pianificate (pre-fMRI, codifica puntiforme, riduzione del tempo con acquisizione radiale (PETRA), fMRI, post-fMRI, PETRA post-fMRI) nell'ordine mostrato nei passaggi seguenti di questo protocollo.
      1. Acquisisci una scansione PETRA che consente di verificare le posizioni degli elettrodi sulla testa del partecipante.
      2. Informare il partecipante che verranno eseguite due scansioni fMRI in stato di riposo di 10 minuti e che dovrà mantenere lo sguardo su una croce di fissazione (visualizzata tramite un proiettore e specchi montati sulla bobina della testa) per l'intera durata del periodo di scansione (2 x 10 minuti).
      3. Avviare la stimolazione tDCS premendo il pulsante di stimolazione init sul Panel PC. Fare clic sul pulsante di avvio del rilascio per avviare la stimolazione con un ramp-up di 10 s prima di iniziare con le sequenze di imaging funzionale. Somministrare tDCS per 20 minuti con 2 mA.
         NOTA: Sono possibili altri protocolli di stimolazione con diversi periodi di rampa o intensità o durata della stimolazione.
      4. Dopo la fine delle scansioni funzionali e del periodo di stimolazione, acquisire una seconda scansione PETRA mentre gli elettrodi sono ancora attaccati alla testa del partecipante.
         NOTA: Rispetto alla scansione PETRA pre-fMRI, ciò consente di determinare il potenziale movimento dell'elettrodo attraverso l'esperimento tDCS-fMRI (ad esempio, deriva).
   3. Al termine della sessione di risonanza magnetica, scollegare i cavi degli elettrodi dalla scatola esterna e spegnere lo stimolatore CC, spostare il partecipante fuori dal foro dello scanner, rimuovere il cappuccio dalla testa del partecipante e rimuovere gli elettrodi.
   4. Ispezionare il cuoio capelluto del partecipante per potenziali arrossamenti cutanei causati dalla stimolazione. Pulire il cuoio capelluto del partecipante dove sono stati posizionati gli elettrodi.
   5. Alla fine dell'esperimento, chiedere al partecipante di completare i questionari sugli effetti avversi della tDCS²⁹ e il cieco ^31,32.

Risultati

Sono stati inclusi i dati di 43 giovani partecipanti sani (20 uomini/23 donne, di età compresa tra 24,74 ± 5,50 anni). I partecipanti hanno completato fino a quattro sessioni di risonanza magnetica funzionale. Il posizionamento neuronavigato degli elettrodi è stato condotto prima di ogni sessione di fMRI. In totale, nell'analisi dei dati sono stati inclusi 338 set di dati che rappresentano le posizioni degli anodi centrali prima e dopo la risonanza magnetica funzionale.

Discussione

Passaggi critici, potenziali modifiche e risoluzione dei problemi del metodo
Il posizionamento accurato degli elettrodi è un fattore tecnico cruciale negli esperimenti di tDCS e le deviazioni dalle posizioni previste del cuoio capelluto o la deriva degli elettrodi possono influenzare il flusso di corrente verso le regioni cerebrali target previste^42,43. Ciò è particolarmente rilevante per la tDCS focalizzat...

Materiali

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