Determinação de localização de estimulação usando um digitalizador 3D com estimulação transcraniana de alta definição da corrente direta

Resumo

Apresentado aqui é um protocolo para alcançar maior precisão na determinação da localização da estimulação, combinando um digitalizador 3D com estimulação transcraniana de alta definição da corrente direta.

Resumo

A abundância de dados de neuroimagem e o rápido desenvolvimento do aprendizado de máquina tornaram possível investigar os padrões de ativação cerebral. No entanto, evidências causais de ativação da área cerebral levando a um comportamento é muitas vezes deixado falta. Estimulação transcraniana de corrente direta (tDCS), que pode alterar temporariamente a excitabilidade e atividade corticais cerebrais, é uma ferramenta neurofisiológica não invasiva usada para estudar relações causais no cérebro humano. Estimulação de corrente direta transcraniana de alta definição (HD-tDCS) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva (NIBS) que produz uma corrente mais focal em comparação com o tDCS convencional. Tradicionalmente, a localização da estimulação tem sido aproximadamente determinada através do sistema 10-20 EEG, porque determinar pontos precisos de estimulação pode ser difícil. Este protocolo usa um digitalizador 3D com HD-tDCS para aumentar a precisão na determinação dos pontos de estimulação. O método é demonstrado usando um digitalizador 3D para localização mais precisa de pontos de estimulação na junção temporo-parietal direita (rTPJ).

Introdução

A estimulação transcraniana de corrente direta (tDCS) é uma técnica não invasiva que modula a excitabilidade cortical com correntes diretas fracas sobre o couro cabeludo. Tem como objetivo estabelecer a causalidade entre excitabilidade neural e comportamento em seres humanos saudáveis^1,2,3. Além disso, como uma ferramenta de neuroreabilitação motora, tDCS é amplamente utilizado no tratamento da doença de Parkinson, acidente vascular cerebral e paralisia cerebral⁴. Evidências existentes sugerem que o tDCS tradicional baseado em almofadas produz fluxo atual através de uma região cerebral relativamente maior^5,6,7. Estimulação de alta definição transcraniana de corrente direta (HD-tDCS), com o eletrodo de anel central sentado sobre uma região corticana alvo cercada por quatro eletrodos de retorno^8,9,aumenta a focalidade circunscrevendo quatro áreas de anel^5,10. Além disso, as mudanças na excitabilidade do cérebro induzida sh-tDCS têm magnitudes significativamente maiores e durações mais longas do que as geradas pelo tDCS tradicional^7,11. Portanto, o HD-tDCS é amplamente utilizado na pesquisa^7,11.

Estimulação cerebral não invasiva (NIBS) requer métodos especializados para garantir que um local de estimulação está presente nos sistemas padrão MNI e Talairach¹². A neuronavegação é uma técnica que permite mapear interações entre estímulos transcranianos e o cérebro humano. Seus dados de visualização e imagem 3D são usados para estimulação precisa. Tanto no tDCS como no HD-tDCS, uma avaliação comum dos locais de estimulação no couro cabeludo é tipicamente o sistema EEG 10-20^13,14. Esta medida é amplamente utilizada para colocar as almofadas tDCS e portadores de optodes para espectroscopia infravermelha funcional (fNIRS) na fase inicial^13,14,15.

Determinar os pontos precisos de estimulação ao usar o sistema 10-20 pode ser difícil (por exemplo, na junção temporo-parietal [TPJ]). A melhor maneira de resolver isso é obter imagens estruturais dos participantes usando ressonância magnética (RM), em seguida, obter a posição exata da sonda, combinando pontos-alvo para suas imagens estruturais usando produtos digitalizantes¹⁵. MRI fornece boa resolução espacial, mas é caro para usar^15,16,17. Além disso, algumas participantes (por exemplo, aquelas com implantes metálicos, claustrofóbicos, gestantes, etc.) não podem ser submetidas a scanners de ressonância magnética. Portanto, há uma forte necessidade de uma maneira conveniente e eficiente de superar as limitações acima mencionadas e aumentar a precisão na determinação de pontos de estimulação.

Este protocolo utiliza um digitalizador 3D para superar essas limitações. Em comparação com a ressonância magnética, as principais vantagens de um digitalizador 3D são baixos custos, aplicação simples e portabilidade. Ele combina cinco pontos de referência (ou seja, Cz, Fpz, Oz, ponto pré-auricular esquerdo e ponto pré-auricular direito) de indivíduos com informações de localização dos pontos de estimulação alvo. Em seguida, ele produz uma posição 3D de eletrodos na cabeça do sujeito e estima suas posições corticais, ajustando-se com os vastos dados da imagem estrutural^12,15. Esse método de registro probabilístico permite a apresentação de dados de mapeamento transcraniano no sistema de coordenação do MNI sem registrar as imagens de ressonância magnética de um sujeito. A abordagem gera rótulos automáticos anatômicos e áreas de Brodmann^11.

O digitalizador 3D, usado para marcar coordenadas espaciais com base nos dados de imagens estruturais, foi usado pela primeira vez para determinar a posição dos optodes na pesquisa fNIRS¹⁸. Para aqueles que usam HD-tDCS, um digitalizador 3D quebra os pontos de estimulação finito do sistema EEG 10-20. A distância dos quatro eletrodos de retorno e eletrodo central é flexível e pode ser ajustada conforme necessário. Ao utilizar o digitalizador 3D com este protocolo, foram obtidas as coordenadas do rTPJ, o que está além do sistema 10-20. Também são mostrados os procedimentos para segmentação e estímulo à junção temporo-parietal direita (rTPJ) do cérebro humano.

Protocolo

O protocolo atende às diretrizes do Conselho de Revisão Institucional da Southwest University.

1. Determinação da localização da estimulação

1. Reveja a literatura e confirme o local de estimulação (aqui, o rTPJ)^19,20,21.

2. Preparação do eletrodo segurando cap

NOTA:As seguintes etapas são mostradas na Figura 1.

1. Certifique-se de que todos os materiais necessários estão prontamente disponíveis: o digitalizador 3D (Figura 2),fita de medição padrão, uma caneta de marcação, a forma de cabeça e uma tampa de natação.
2. Coloque a tampa no formulário de cabeça e marcar os pontos na tampa.
   1. Localizar o Vértice (Cz). Para fazer isso, primeiro marque o ponto médio da distância entre a nasion e a inion usando um marcador de pele^13,14,22. Em seguida, medir a distância entre os pontos pré-auriculares e marcar o ponto médio. O ponto em que ambos os pontos se cruzam é o Cz.
   2. Verifique a localização do eletrodo central e os eletrodos de retorno. Aqui, a estimulação foi aplicada no rTPJ. O rTPJ corresponde aproximadamente ao ponto médio entre CP6 e P6 no sistema 10-10 EEG^19,20,21.
   3. Encontre CP6 e P6^22,23,24,25. De acordo com os requisitos proporcionais do sistema 10-10, localizar a localização aproximada do rTPJ no couro cabeludo e marcá-lo na tampa.
   4. Ajuste o raio dos quatro eletrodos de retorno com base nos objetivos^11,14,26. Após esta decisão, marque o eletrodo central e devolva locais de eletrodo na tampa.

3. Medição do Digitalizador 3D

1. Digitalizar com o scanner de metal para garantir que o ambiente para digitalizador 3D é livre de metal.
2. Colocação do tampão na cabeça do assunto
   1. Certifique-se de que as referências (Cz, Fpz, Oz, ponto pré-auricular esquerdo, e ponto pré-auricular direito) na tampa alinhar com o sistema internacional 10-10 para a localização do couro cabeludo²². Por exemplo, localizar o Vértice (Cz) no couro cabeludo e colocar a tampa na cabeça do sujeito, alinhando cz da tampa para os assuntos.
3. Organizar o equipamento de digitalizador 3D
   1. Conecte o digitalizador 3D ao computador usando a interface Universal Serial Bus (USB) e certifique-se de que o software de digitalizador está disponível e pronto^27.
   2. Coloque a fonte na frente do assunto e aperte a corda elástica do sensor ao redor da cabeça. Importante, certifique-se de que nem a fonte nem o sensor se movem durante a medição do digitalizador 3D.
      NOTA:A fonte é um transmissor magnético que emite um campo de dipolo eletromagnético. O sensor é um receptor que detecta o campo.
   3. Abra o software de digitalizador no computador e certifique-se de que o sistema de digitalizador 3D se comunica com o software.
   4. Teste a precisão da caneta. Encontre um comprimento de 10 cm na régua e registre a graduação zero e a graduação dez, respectivamente, usando o stylus.
      NOTA:A distância de medição entre os dois pontos de gravação do digitalizador 3D deve ser capturada. Compare o erro com a leitura do rastreador 3D.
   5. Selecione o novo ícone e crie um novo arquivo de assunto. Selecione a caixa de sessões, em seguida, referência.
      NOTA:Usando a caneta digitalizador 3D, os dados de posição de referência (Cz, inion, nasion, orelha esquerda, orelha direita) do assunto são coletados de acordo com as solicitações de software.
   6. Para atender à exigência de experimentos fNIRS, use as opções transmissor, detector e canal. Colete os dados de posição do eletrodo central e quatro eletrodos de retorno 3x para o transmissor, detector e canal, a fim de reduzir o erro. Certifique-se de que cinco eletrodos estão numerados e localizar, por sua vez.
   7. Salve os três arquivos que são gerados.

4. Conversão de dados e registro espacial

1. Selecione os três arquivos para o NIRS-SPM para alcançar o registro de coordenadas reais no espaço MNI²⁸. A Affine transforma os pontos de referência e cinco pontos de eletrodo nos participantes para os pontos correspondentes em cada entrada de acordo com o banco de dados de ressonância magnética no espaço MNI.
2. Registre os dados em rótulos automáticos anatômicos e áreas de Brodmann e registre as informações espaciais dos cinco pontos de eletrodo para ambos.
3. Compare as coordenadas de estimulação em pesquisas anteriores com as coordenadas obtidas^20,29.
4. Faça um pequeno corte alinhado com os cinco pontos marcados na tampa, de modo que o invólucro de plástico é incorporado confortavelmente na tampa.

5. Estimulação

1. Certifique-se de que o participante não tenha contra-indicações (ou seja, história de distúrbios neurológicos ou psiquiátricos) para HD-tDCS^1,3 e que eles forneceram consentimento informado por escrito antes do estudo (incluindo estimulação HD-tDCS).
2. Para a instalação do dispositivo, certifique-se de que todos os materiais necessários estão disponíveis(Figura 3). Instale o dispositivo conforme detalhado na literatura publicada¹⁴. Uma breve descrição é fornecida abaixo.
   1. Instale as baterias e verifique se elas são carregadas.
   2. Conecte o adaptador de estimulação tDCS convencional e 4x1.
   3. Conecte os cabos de cinco eletrodos de anel sinterizados Ag/AgCI aos receptores correspondentes no cabo de saída do adaptador 4x1.
   4. Verifique se todos os materiais estão conectados corretamente.
3. Medir a cabeça do participante e colocar a tampa na cabeça.
   1. Incorporar os cinco invólucros de plástico HD na tampa de natação.
   2. Localizar o Cz, Fpz, e Oz do assunto^13,14. Ajuste a referência na tampa para alinhar com o sistema internacional 10-10 para localizações couro cabeludo²². Uma vez que o limite está em posição, certifique-se de que ele não se move.
   3. Colete os dados de posição das áreas cerebrais estimuladas usando o digitalizador 3D. Faça os ajustes correspondentes de acordo com os dados gerados.
4. Cubra a superfície do couro cabeludo com gel condutor eletricamente. Primeiro, separe cuidadosamente o cabelo através da abertura do invólucro de plástico usando a extremidade de uma seringa de plástico, até que o couro cabeludo seja exposto. Em seguida, cubra o couro cabeludo exposto com o gel eletricamente condutor através da abertura de revestimento plástico na superfície do couro cabeludo.
5. Defina os parâmetros do dispositivo tDCS: valor de qualidade, duração do estímulo, intensidade e configuração de condição.
   1. Ligue o adaptador de estimulação multicanal 4x1.
   2. Certifique-se de que a configuração padrão é SCAN, que mostra a impedância de um eletrodo de cada vez na janela de exibição, digitalizando os eletrodos^14,30,31. Aqui, a impedância é descrita como "valor de qualidade". Valores abaixo de 1,5 indicam qualidade suficiente^14,30,31. Neste caso, os valores foram inferiores a 1.
      NOTA:Se o valor da impedância exceder esses limites exigidos, abra a tampa do invólucro de plástico com alta impedância e ajuste o cabelo e o eletrodo para obter o valor desejado da impedância.
   3. Pressione o botão "MODE SELECT" e mude de"SCAN"para"PASS",depois que os valores de impedância são aceitáveis.
   4. Selecione o ânodo central ou o meio-cátodo pressionando o botão"POLARITY". "CENTRAL ANODE"é a configuração padrão.
   5. Ajuste as configurações no dispositivo tDCS convencional para incluir duração de estímulo (min), intensidade (mA) e configuração de condição falsa. Neste caso, a estimulação ativa anodal era 1.5 mA, e o estímulo durou 20 min. Em seguida, empurre a alavanca"RELAX"para mudar para a corrente completa.
   6. Uma vez que tudo está definido, iniciar a estimulação. Pressione o botão"START",e a intensidade dc vai ramp up até que a corrente de alvo é atingido. O temporário mostrará então o tempo restante.
      NOTA:Alguns participantes podem se sentir desconfortáveis durante períodos de aumento da intensidade dc. Em tais casos, a corrente pode ser moderadamente diminuída ligeiramente por alguns segundos, puxando para baixo o "RELAX" alavanca. Em seguida, empurre a barra de dolly para a corrente completa, gradualmente, quando os participantes se sentem confortáveis novamente.

6. Pós-estimulação

1. Quando a estimulação terminar, vire a alavanca lentamente para ajustar a corrente a zero antes de desligar a energia. Caso contrário, os participantes podem perceber sensação pungente ou tontura ao desligar o poder diretamente.
2. Após a estimulação, abra a tampa de plástico e retire os eletrodos de anel sinterizados Ag/AgCI do invólucro.
3. Retire a tampa de natação e limpe os materiais. Fornecer aos participantes ferramentas para limpar o cabelo.
4. Peça aos participantes que preencham um questionário após cada sessão de estimulação, se necessário (por exemplo, para medir os efeitos adversos do rastreamento após o HD-tDCS, a tolerância dos participantes à estimulação cerebral, etc.; consulte Arquivo Suplementar).

Resultados

Utilizando os métodos apresentados, foram determinadas as coordenadas do rTPJ, o que requer pontos de estimulação além do sistema 10-20. Primeiramente, a circunferência do headform deve ser similar à cabeça real. Aqui, o comprimento da nasion à inionação do headform era ~36 cm, e o comprimento entre o preauricular bilateral era ~37 cm.

As etapas para a produção da tampa de eletrodo guiam as posições de medição do sistema 10-20. Aqui, Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2,...

Discussão

Em comparação com o tDCS tradicional, o HD-tDCS aumenta a especificidade da estimulação. Locais típicos de estimulação são muitas vezes baseados no sistema 10-20 EEG. No entanto, determinar os pontos precisos de estimulação além deste sistema pode ser difícil. Este artigo combina um digitalizador 3D com HD-tDCS para determinar pontos de estimulação além do sistema 10-20. É importante definir claramente as etapas e precauções para fazer e usar a tampa do elétrodo em tais casos.

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
1X1 Low Intensity transcranial DC Stimulator	Soterix Medical	1300A
3-dimensional Polhemus-Patriot Digitizer	POLHEMUS	1A0453-001	PATRIOT system component
4X1 Multi-Channel Stimulation Interface	Soterix Medical	4X1-C3
Dell desktop computer	Dell	CRFC4J2	Master computer to run 3D digitizer application