고화질 경부 직접 전류 자극이 있는 3D 디지타이저를 사용한 자극 위치 측정

요약

여기에 제시된 프로토콜은 3D 디지타이저와 고화질 경두개 직접 전류 자극을 결합한 자극 위치의 결정에서 더 높은 정확도를 달성하기 위한 프로토콜이다.

초록

신경 이미징 데이터의 풍부와 기계 학습의 급속한 발전은 뇌 활성화 패턴을 조사하는 것이 가능하게했다. 그러나, 행동으로 이끌어 내는 두뇌 지역 활성화의 인과 적인 기록은 수시로 누락남아 있습니다. 경두개 직접 전류 자극 (tDCS), 일시적으로 뇌 피질 흥분성과 활동을 변경할 수 있습니다, 인간의 뇌의 인과 관계를 연구하는 데 사용되는 비 침습적 신경 생리학적 도구입니다. 고화질 경두개 직접 전류 자극(HD-tDCS)은 기존의 tDCS에 비해 더 많은 초점 전류를 생성하는 비침습적 뇌 자극(NIBS) 기술입니다. 전통적으로, 자극 위치는 대략 10-20 EEG 시스템을 통해 결정되어 왔으며, 정확한 자극 지점을 결정하는 것은 어려울 수 있기 때문이다. 이 프로토콜은 HD-tDCS가 있는 3D 디지타이저를 사용하여 자극 점의 측정 정확도를 높입니다. 이 방법은 오른쪽 템포로 정수리 접합부(rTPJ)에서 자극 점의 보다 정확한 국소화를 위해 3D 디지타이저를 사용하여 입증되었습니다.

서문

경두개 직접 전류 자극 (tDCS)은 두피에 약한 직접 전류로 피질 흥분성을 조절하는 비침습적 기술입니다. 그것은 건강한 인간에 있는 신경 흥분성과 행동 사이 인과관계를 설치하는 것을 목표로^{합니다 1,2,3}. 또한, 운동 신경 재활 도구로서, tDCS는 파킨슨 병, 뇌졸중 및 뇌성 마비의 치료에 널리 사용된다^4. 기존 증거는 전통적인 패드 기반 tDCS가 상대적으로 큰 뇌^영역을통해 전류 흐름을 생성한다는 것을 시사한다^5,6,7. 고화질 경부 직접 전류 자극(HD-tDCS)은 4개의 복귀 전극으로 둘러싸인 표적 피질 영역에 앉아 있는 중심 링 전극(HD-tDCS)과 함께^4개의링 영역^5,10을둘레에 의해 초점성을 증가시킨다. 또한, HD-tDCS에 의해 유도된 뇌의 흥분성의 변화는 전통적인 tDCS^7,11에의해 생성된 것보다 훨씬 더 큰 크기와 더 긴 지속 시간을 가지고 있다. 따라서 HD-tDCS는 연구^7,11에서널리 사용됩니다.

비침습적 뇌 자극(NIBS)은 표준 MNI 및 탈라이라흐^{시스템(12)에}자극 부위가 존재하는지 확인하기 위한 전문적인 방법이 필요하다. 신경 항법은 경두개 자극과 인간의 뇌 사이의 상호 작용을 매핑 할 수있는 기술입니다. 시각화 및 3D 이미지 데이터는 정확한 자극에 사용됩니다. tDCS 및 HD-tDCS 모두에서, 두피상 자극 부위의 일반적인 평가는 전형적으로 EEG 10-20 시스템^13,14이다. 이 측정은 초기 단계^{13,14,15에서}기능적인 근적외선 분광법(fNIRS)을 위한 tDCS 패드^및광원 홀더를 배치하는 데 널리 사용됩니다.

10-20 시스템을 사용할 때 정확한 자극 점을 결정하는 것은 어려울 수 있습니다(예를 들어, 템포로-정수리 접합 [TPJ]). 이를 해결하는 가장 좋은 방법은 자기 공명 영상(MRI)을 사용하여 참가자로부터 구조 이미지를 얻은 다음, 디지털화 제품^15를사용하여 목표 지점을 구조 이미지에 일치시킴으로써 정확한 프로브 위치를 얻는 것이다. MRI는 좋은 공간 해상도를 제공하지만^15,16,17을사용하는 비용이 많이 듭니다 . 또한 일부 참가자 (예 : 금속 임플란트, 밀실 공포증, 임산부 등)는 MRI 스캐너를 받을 수 없습니다. 따라서, 전술한 한계를 극복하고 자극 점을 결정하는 정확도를 높이기 위한 편리하고 효율적인 방법에 대한 필요성이 강하다.

이 프로토콜은 이러한 제한을 극복하기 위해 3D 디지타이저를 사용합니다. MRI에 비해 3D 디지타이저의 주요 장점은 저렴한 비용, 간단한 응용 프로그램 및 휴대성입니다. 대상 자극 점의 위치 정보와 개인의 5개의 기준점(즉, Cz, Fpz, Oz, 좌측 구측점 및 우측 구심점)을 결합합니다. 이어서, 피사체의 머리에 전극의 3D 위치를 생성하고 구조 이미지^12,15의방대한 데이터와 피팅하여 그들의 피질 위치를 추정한다. 이 확률 등록 방법을 사용하면 피사체의 자기 공명 이미지를 기록하지 않고도 MNI 좌표계에서 경두개 매핑 데이터를 표시할 수 있습니다. 이 접근법은 해부학 적 자동 라벨 및 Brodmann 영역^11을생성합니다.

구조 이미지의 데이터를 기반으로 공간 좌표를 표시하는 데 사용되는 3D 디지타이저는 fNIRS 연구^18에서광도의 위치를 결정하는 데 처음 사용되었습니다. HD-tDCS를 사용하는 사람들을 위해, 3D 디지타이저는 EEG 10-20 시스템의 유한 자극 지점을 끊습니다. 4개의 복귀 전극과 중심 전극의 거리는 유연하며 필요에 따라 조정할 수 있습니다. 이 프로토콜을 사용하여 3D 디지타이저를 사용하는 경우 rTPJ의 좌표를 얻었으며, 이는 10-20 시스템을 초과합니다. 또한 인간의 뇌의 오른쪽 템포로 정수리 접합부(rTPJ)를 표적으로 하고 자극하는 시술도 도시되어 있다.

프로토콜

이 프로토콜은 사우스 웨스트 대학의 기관 검토 위원회의 지침을 충족합니다.

1. 자극 위치 의 결정

1. 문헌을 검토하고 자극 위치 (여기, rTPJ)^19,20,21을확인합니다.

2. 전극 지주 캡 의 준비

참고: 다음 단계는 그림 1에나와 있습니다.

1. 3D 디지타이저(그림2),표준 측정 테이프, 마킹 펜, 헤드폼 및 수영모자 등 필요한 모든 재료를 쉽게 구할 수 있는지 확인합니다.
2. 캡을 헤드폼에 놓고 캡에 포인트를 표시합니다.
   1. 정점(Cz)을 지역화합니다. 이렇게 하려면 먼저 스킨 마커^13,14,22를사용하여 내음과 음침 사이의 거리의 중간점을 표시한다. 그런 다음 사전 수구 점 사이의 거리를 측정하고 중간점을 표시합니다. 두 점이 교차하는 점은 Cz입니다.
   2. 중심 전극과 리턴 전극의 위치를 확인합니다. 여기서, 자극은 rTPJ에 적용되었다. rTPJ는 대략 10-10 EEG 시스템^{19,20,21에서}CP6와 P6 사이의 중간점에 해당합니다.
   3. CP6 및 P6^22,23,^24,25찾기 . 10-10 시스템의 비례 요구 사항에 따라 두피에 rTPJ의 대략적인 위치를 찾아 캡에 표시하십시오.
   4. 목표^11,14,26에따라 4개의 복귀 전극의 반경을 조정한다. 이 결정 후 중앙 전극을 표시하고 캡에 전극 위치를 반환합니다.

3. 3D 디지타이저 측정

1. 금속 스캐너로 스캔하여 3D 디지타이저의 환경이 금속이 없는지 확인합니다.
2. 피사체의 머리에 캡 배치
   1. 캡의 참조(Cz, Fpz, Oz, 좌측 구측점 및 오른쪽 프리아큘러 포인트)가 두피^{위치(22)에}대한 국제 10-10 시스템과 일치하는지 확인합니다. 예를 들어 두피의 정점(Cz)을 지역화하고 캡을 피사체의 머리에 배치하여 캡의 Cz를 피사체에 정렬합니다.
3. 3D 디지타이저 장비 배치
   1. 범용 직렬 버스 (USB) 인터페이스를 사용하여 컴퓨터에 3D 디지타이저를 연결하고 디지타이저 소프트웨어를 사용할 수 있고 준비²⁷있는지 확인합니다.
   2. 피사체 앞에 소스를 넣고 헤드 주위에 센서의 탄성 로프를 고정합니다. 중요한 것은 3D 디지타이저 측정 중에 소스나 센서가 움직이지 않도록 해야 합니다.
      참고: 소스는 전자기 다이폴 필드를 방출하는 자기 송신기입니다. 센서는 필드를 감지하는 수신기입니다.
   3. 컴퓨터에서 디지타이저 소프트웨어를 열고 3D 디지타이저 시스템이 소프트웨어와 통신하는지 확인합니다.
   4. 스타일러스의 정확도를 테스트합니다. 눈금자에 10cm의 길이를 찾아 스타일러스를 사용하여 각각 0 졸업과 10 졸업을 기록합니다.
      참고: 3D 디지타이저의 두 기록 지점 사이의 측정 거리를 캡처해야합니다. 오류를 3D 트래커의 판독값과 비교합니다.
   5. 새 아이콘을 선택하고 새 제목 파일을 만듭니다. 세션 상자를 선택한 다음 참조를 선택합니다.
      참고: 3D 디지타이저 스타일러스를 사용하여 피사체의 기준 위치 데이터 (Cz, inion, nasion, 왼쪽 귀, 오른쪽 귀)는 소프트웨어 프롬프트에 따라 수집됩니다.
   6. fNIRS 실험의 요구 사항을 충족하려면 송신기, 검출기 및 채널 옵션을 사용합니다. 오류를 줄이기 위해 송신기, 검출기 및 채널에 대한 중심 전극 및 4개의 리턴 전극의 위치 데이터를 3x 수집합니다. 5개의 전극에 번호가 매겨지고 차례로 지역화되도록 합니다.
   7. 생성된 세 개의 파일을 저장합니다.

4. 데이터 변환 및 공간 등록

1. NIRS-SPM에 세 개의 파일을 선택하여 MNI^{공간(28)에}실제 좌표 등록을 달성합니다. Affine은 MNI 공간의 MRI 데이터베이스에 따라 참가자의 기준점과 5개의 전극 점을 각 항목의 해당 지점으로 변환합니다.
2. 해부학 자동 라벨 및 Brodmann 영역에 데이터를 등록하고 다섯 전극 점의 공간 정보를 이 두 가지 모두에 등록합니다.
3. 이전 연구에서 자극의 좌표를 얻은 좌표^20,29와비교합니다.
4. 플라스틱 케이스가 캡에 아늑하게 내장되도록 캡에 표시된 5 개 점에 정렬 된 작은 컷을 만듭니다.

5. 자극

1. 참가자가 HD-tDCS^1,3에 대한 금기 사항(즉, 신경학적 또는 정신 장애의 역사)이 없는지 확인하고 연구 전에 서면으로 동의를 제공했는지 확인하십시오(HD-tDCS 자극 포함).
2. 장치 설치의 경우 필요한 모든 재료를 사용할 수 있는지 확인합니다(그림3). 공고문^14에상세히 기재된 대로 장치를 설치한다. 간략한 설명은 아래에 제공됩니다.
   1. 배터리를 설치하고 충전된 배터리를 확인합니다.
   2. 기존의 tDCS 및 4x1 자극 어댑터를 연결합니다.
   3. 5개의 Ag/AgCI 소결 링 전극의 케이블을 4x1 어댑터 출력 케이블의 일치하는 수신기에 연결합니다.
   4. 모든 재질이 올바르게 연결되어 있는지 확인합니다.
3. 참가자의 머리를 측정하고 머리에 캡을 놓습니다.
   1. 수영 모자에 5 개의 플라스틱 HD 케이스를 포함하십시오.
   2. 주제 의 Cz, Fpz 및 오즈를 지역화^13,14. 캡의 기준을 조정하여 두피^{위치(22)에}대한 국제 10-10 시스템에 맞게 조정합니다. 캡이 제자리에 있으면 이동하지 않도록 하십시오.
   3. 3D 디지타이저를 사용하여 자극된 뇌 영역의 위치 데이터를 수집합니다. 생성된 데이터에 따라 해당 조정을 합니다.
4. 전기 전도성 젤로 두피 표면을 덮습니다. 첫째, 두피가 노출 될 때까지 플라스틱 주사기의 끝을 사용하여 플라스틱 케이스의 구멍을 통해 조심스럽게 머리를 분리합니다. 이어서, 노출된 두피를 두피 표면의 플라스틱 케이싱 개구부를 통해 전기전도성 겔로 덮는다.
5. tDCS 장치의 매개 변수( 품질 값, 자극 지속 시간, 강도 및 조건 설정)를 설정합니다.
   1. 4x1 멀티채널 자극 어댑터를 켭니다.
   2. 기본 설정이 SCAN인지확인하고, 전극^14,30,31을스캐닝하여 디스플레이 창에서 한 번에 하나의 전극의 임피던스를 표시합니다. 여기서 임피던스는 "품질 값"으로 설명됩니다. 1.5 미만의 값은 충분한 품질^14,30,31을나타냅니다. 이 경우 값이 1보다 작습니다.
      참고: 임피던스 값이 이러한 필수 한계를 초과하는 경우, 높은 임피던스플라스틱 케이스의 캡을 열고 원하는 임피던스 값을 얻기 위해 머리카락과 전극을 조정합니다.
   3. "MODESELECT" 버튼을 누르고 "SCAN" 에서"PASS"로전환하면 임피던스 값이 허용됩니다.
   4. "POLARITY"버튼을 눌러 중앙 양극 또는 중심 음극을 선택합니다. "중앙 양극 "이기본 설정입니다.
   5. 기존 tDCS 장치의 설정을 조정하여 자극 지속 시간(최소), 강도(mA) 및 sham 상태 설정을 포함합니다. 이 경우, 아노달 활성 자극은 1.5 mA였고, 자극은 20분 동안 지속되었다. 다음으로 "RELAX"레버를 눌러 전체 전류로 전환합니다.
   6. 모든 것이 설정되면 자극을 시작합니다. "START"버튼을 누르면 목표 전류에 도달할 때까지 DC 강도가 증가합니다. 그러면 타이머가 남은 시간을 표시합니다.
      참고: 일부 참가자는 DC 강도가 증가하는 기간 동안 불편함을 느낄 수 있습니다. 이러한 경우, 전류는"RELAX"레버를 아래로 당겨 서 몇 초 동안 약간 감소 될 수 있습니다. 그런 다음, 참가자가 다시 편안하게 느낄 때, 점차적으로, 전체 전류로 돌리 바를 밀어.

6. 자극 후

1. 자극이 끝나면 레버를 천천히 돌려 전류를 0으로 조정한 후 전원을 끕니다. 그렇지 않으면, 참가자는 직접 전원을 끌 때 따 끔 거 림 감각 또는 현기증을 인식할 수 있습니다.
2. 자극 후 플라스틱 캡을 열고 케이스에서 Ag/AgCI 소결 링 전극을 제거합니다.
3. 수영 모자를 제거하고 재료를 청소합니다. 참가자들에게 모발을 청소할 수 있는 도구를 제공한다.
4. 필요한 경우 각 자극 세션 이후에 설문지를 작성하도록 요청합니다(예: HD-tDCS 다음 스크리닝의 부작용 측정, 뇌 자극에 대한 참가자 내성 등; 보충 파일참조).

결과

제시된 방법을 사용하여, rTPJ의 좌표를 결정하였고, 이는 10-20 시스템을 넘어서는 자극 점을 필요로 한다. 첫째, 헤드폼의 둘레는 실제 헤드와 유사해야 합니다. 여기서, 헤드폼의 이명에 대한 내색의 길이는 ~36 cm였고, 양측 프리아큘러 사이의 길이는 ~37 cm였다.

전극 캡을 제조하는 단계는 10-20 시스템의 측정 위치를 안내한다. 여기서, Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6,...

토론

기존의 tDCS에 비해 HD-tDCS는 자극의 초점을 증가시킵니다. 자극의 전형적인 사이트는 종종 10-20 EEG 시스템을 기반으로합니다. 그러나 이 시스템 이외의 정확한 자극 지점을 결정하는 것은 어려울 수 있습니다. 이 백서는 3D 디지타이저와 HD-tDCS를 결합하여 10-20 시스템 너머의 자극 점을 결정합니다. 이러한 경우 전극 캡을 만들고 사용하기 위한 단계와 예방 조치를 명확하게 정의하는 것이 중요합니?...

자료

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1X1 Low Intensity transcranial DC Stimulator	Soterix Medical	1300A
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