Определение местоположения стимуляции с помощью 3D Digitizer с высокой четкостью Transcranial Прямого тока стимуляции

Резюме

Представлен протокол для достижения более высокой точности в определении местоположения стимуляции, сочетающей 3D-дигитайзер с высокой четкостью транскраниальной стимуляции прямого тока.

Аннотация

Обилие нейровизуальных данных и быстрое развитие машинного обучения позволили исследовать модели активации мозга. Тем не менее, причинные доказательства активации области мозга, приводящей к поведению, часто остаются пропавшими без вести. Транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS), которая может временно изменять возбудимость и активность коры головного мозга, является неинвазивным нейрофизиологическим инструментом, используемым для изучения причинно-следственных связей в человеческом мозге. Высокой четкости транскраниальной стимуляции прямого тока (HD-tDCS) является неинвазивной стимуляции мозга (NIBS) метод, который производит более фокусный ток по сравнению с обычными tDCS. Традиционно, место стимуляции было примерно определено через систему ЭЭГ 10-20, потому что определение точных точек стимуляции может быть трудным. Этот протокол использует 3D-дигитайзер с HD-tDCS для повышения точности определения точек стимуляции. Метод продемонстрирован с помощью 3D-дигитайзера для более точной локализации точек стимуляции в правильном темро-теметельном соединении (rTPJ).

Введение

Транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS) является неинвазивной техникой, которая модулирует короистую возбудимость со слабыми прямыми токами над кожей головы. Она направлена на установление причинно-следственной связи между нервной возбудимости и поведение у здоровых людей^1,2,3. Кроме того, в качестве инструмента моторной нейрореабилитации, tDCS широко используется в лечении болезни Паркинсона, инсульта и ДЦП⁴. Существующие данные свидетельствуют о том, что традиционные площадки на основе tDCS производит ток поток через относительно большую область мозга^5,6,7. Высокой четкости транскраниального прямого тока стимуляции (HD-tDCS), с электродом центрального кольца, сидя над целевой корковой области, окруженной четырьмя электродами возвращения^8,9, увеличивает фокус, окольцевая четыре области кольца^5,10. Кроме того, изменения возбудимости мозга, индуцированные HD-tDCS имеют значительно большие величины и более длительные сроки, чем те, которые генерируются традиционными tDCS^7,11. Таким образом, HD-tDCS широко используется в исследованиях^7,11.

Неинвазивная стимуляция мозга (NIBS) требует специализированных методов для обеспечения того, чтобы место стимуляции присутствовало в стандартных системах MNI и Talairach^12. Neuronavigation это метод, который позволяет отображение взаимодействий между транскраниальными стимулами и человеческого мозга. Его визуализация и данные 3D-изображений используются для точной стимуляции. В обоих tDCS и HD-tDCS, общая оценка стимулирующих сайтов на коже головы, как правило, ЭЭГ 10-20 системы^13,14. Это измерение широко используется для размещения tDCS колодки и оптододержатели для функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) в начальной стадии^13,14,15.

Определение точных точек стимуляции при использовании системы 10-20 может быть затруднено (например, в височно-темеетельном соединении (TPJ). Лучший способ решить эту проблему заключается в получении структурных изображений от участников с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), а затем получить точную позицию зонда путем сопоставления целевых точек их структурных изображений с помощью оцифровки продуктов¹⁵. МРТ обеспечивает хорошее пространственное разрешение, но это дорого использовать^15,16,17. Кроме того, некоторые участники (например, участники с металлическими имплантатами, клаустрофобией, беременные женщины и т.д.) не могут быть подвергнуты МРТ-сканерам. Поэтому существует острая потребность в удобном и эффективном способе преодоления вышеупомянутых ограничений и повышения точности определения точек стимуляции.

Этот протокол использует 3D-дигитайзер для преодоления этих ограничений. По сравнению с МРТ, ключевыми преимуществами 3D-дигитайзера являются низкая стоимость, простое применение и портативность. Он сочетает в себе пять точек отсчета (т.е. Cz, Fpz, Oz, левую предавкулярную точку и правую предавикулярную точку) людей с информацией о местоположении точек целевой стимуляции. Затем он производит 3D-положение электродов на голове субъекта и оценивает их корковые позиции, сопосамые с обширными данными из структурного изображения^12,15. Этот вероятностный метод регистрации позволяет представить транскраниальные картографические данные в системе координат MNI без записи магнитно-резонансных изображений субъекта. Подход генерирует анатомические автоматические метки и области Бродмана¹¹.

3D-дигитайзер, используемый для обозначения координат пространства на основе данных структурных изображений, был впервые использован для определения положения оптодов в исследовании fNIRS¹⁸. Для тех, кто использует HD-tDCS, 3D-дигитайзер ломает конечные точки стимуляции системы ЭЭГ 10-20. Расстояние четырех обратных электродов и центрального электрода является гибким и может быть скорректировано по мере необходимости. При использовании 3D-дигитайзера с этим протоколом были получены координаты rTPJ, что выходит за рамки системы 10-20. Также показаны процедуры для ориентации и стимулирования правильного темено-темееального соединения (rTPJ) человеческого мозга.

протокол

Протокол соответствует руководящим принципам Институционального совета по обзору юго-западного университета.

1. Определение местоположения стимуляции

1. Просмотрите литературу и подтвердите место стимуляции (здесь, rTPJ)^19,20,21.

2. Подготовка Электрод Холдинг Кап

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги показаны на рисунке 1.

1. Убедитесь, что все необходимые материалы легко доступны: 3D-дигитайзер(рисунок 2), стандартная измерительная лента, перо маркировки, форма головы и купальная шапочка.
2. Положите крышку на головной уклад и пометить точки на крышке.
   1. Локализовать Вершину (Cz). Для этого сначала отметьте середину расстояния между nasion и инионом с помощью маркера кожи^13,14,22. Затем измерьте расстояние между доарикулярными точками и отметьте середину. Точка, в которой обе точки пересекаются, является Cz.
   2. Проверьте расположение центрального электрода и обратных электродов. Здесь стимуляция была применена на rTPJ. rTPJ примерно соответствует средней точке между CP6 и P6 в 10-10 ЭЭГ системы^19,20,21.
   3. Найти CP6 и P6^22,23,24,25. В соответствии с пропорциональными требованиями системы 10-10, найдите приблизительное местоположение rTPJ на коже головы и отметьте его на крышке.
   4. Отрегулируйте радиус четырех возвратных электродов на основе целей^11,14,26. После этого решения отметьте центр электрода и верните места электрода на крышке.

3. 3D Измерение дигитайзера

1. Сканирование с помощью металлического сканера, чтобы убедиться, что среда для 3D-дигитайзера не имеет металла.
2. Размещение крышки на голове субъекта
   1. Убедитесь, что ссылки (Cz, Fpz, Оз, левая предавкулярная точка, и правая предавикулярная точка) на крышке выровнять с международной 10-10 системы для скальпа местоположение²². Например, локализовать Vertex (Cz) на кожу головы и поместить крышку на голову субъекта, выравнивая крышку Cz с предметами.
3. Установка 3D-оцифрователя оборудования
   1. Подключите 3D-дигитайзер к компьютеру с помощью интерфейса Universal Serial Bus (USB) и убедитесь, что программное обеспечение дигитайзера доступно и готово^27.
   2. Положите источник перед предметом и прикрепите эластичную веревку датчика вокруг головы. Важно отметить, что убедитесь, что ни источник, ни датчик не перемещается во время измерения 3D-дигитайзера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Источник является магнитным передатчиком, который испускает электромагнитное дипольные поля. Датчик представляет собой приемник, который обнаруживает поле.
   3. Откройте программное обеспечение дигитайзера на компьютере и убедитесь, что система 3D-дигитайзера общается с программным обеспечением.
   4. Проверьте точность стилуса. Найти длину 10 см на линейке и записать нулевой градации и десять градации, соответственно, с помощью стилуса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние измерения между двумя точками записи 3D-дигитайзера должно быть захвачено. Сравните ошибку с чтением с 3D-трекера.
   5. Выберите новый значок и создайте новый файл темы. Выберите поле Сессии, а затем справка.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Использование 3D дигитайзерстилстила стилус, данные эталонного положения (Cz, инион, nasion, левое ухо, правое ухо) предмета собираются в соответствии с программным запросом.
   6. Чтобы удовлетворить требования экспериментов fNIRS, используйте варианты передатчика, детектора и канала. Соберите данные положения электрода центра и 4 электродов возвращения 3x для передатчика, детектора, и канала, для уменьшения ошибки. Убедитесь, что пять электродов пронумерованы и локализованы в свою очередь.
   7. Сохраните три файла, которые генерируются.

4. Преобразование данных и пространственная регистрация

1. Выберите три файла в NIRS-SPM для достижения реальной регистрации координат в пространстве MNI²⁸. Affine преобразует точки отсчета и пять точек электрода у участников в соответствующие точки в каждой записи в соответствии с базой данных МРТ в пространстве MNI.
2. Зарегистрируйте данные на анатомических автоматических меток и области Бродмана и зарегистрируйте пространственную информацию о пяти точках электрода на обе их части.
3. Сравните координаты стимуляции в предыдущих исследованиях с полученными координатами^20,29.
4. Сделайте небольшой разрез выровнены с пятью точками, отмеченными на крышке, так что пластиковый корпус плотно встроен в крышку.

5. Стимулирование

1. Убедитесь, что участник не имеет противопоказаний (т.е. история неврологических или психических расстройств) для HD-tDCS^1,3 и что они предоставили письменное информированное согласие до исследования (в том числе HD-tDCS стимуляции).
2. Для установки устройства убедитесь, что все необходимые материалы доступны(рисунок 3). Установите устройство, как подробно описано в опубликованной литературе¹⁴. Краткое описание приведено ниже.
   1. Установите батареи и убедитесь, что они заряжены.
   2. Подключите обычный tDCS и 4x1 Адаптер стимуляции.
   3. Подключите кабели пяти спекаемых колеи Ag/AgCI к соответствующим приемникам на выходном кабеле адаптера 4x1.
   4. Убедитесь, что все материалы подключены правильно.
3. Измерьте голову участника и поместите крышку на голову.
   1. Встраивай пять пластиковых корпусов HD в купальню.
   2. Локализовать Cz, Fpz, и Оз^{предмета 13,14}. Отрегулируйте ссылку на крышку, чтобы выровнять с международной системой 10-10 для мест скальпа²². После того, как крышка находится в положении, убедитесь, что он не двигается.
   3. Соберите данные о положении стимулируемых областей мозга с помощью 3D-дигитайзера. Внести соответствующие коррективы в соответствии с генерируемыми данными.
4. Обложка поверхности кожи головы с электрически проводящих гель. Во-первых, тщательно отделить волосы через отверстие пластикового корпуса с помощью конца пластикового шприца, пока кожа головы подвергается. Затем накройте обнажённую кожу головы электрически проводящим гелем через пластиковое отверстие корпуса на поверхности головы.
5. Установите параметры устройства tDCS: значение качества, продолжительность стимула, интенсивность и настройка состояния.
   1. Включите многоканальный адаптер 4x1.
   2. Убедитесь, что параметр по умолчанию SCAN, который показывает, что импедацирование одного электрода в то время, в витрине путем сканирования электродов^14,30,31. Здесь, impedance описывается как "качество значение". Значения ниже 1.5 указывают на достаточное качество^14,30,31. В этом случае значения были ниже 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если значение impedance превышает эти необходимые пределы, откройте крышку пластичной оболочки с высоким импераничеством и отрегулируйте волосы и электрод для того чтобы получить пожеланное значение impedance.
   3. Нажмите кнопку«MODE SELECT»и переключитесь с «SCAN» на «PASS», после того, как значения импеданса будут приемлемы.
   4. Выберите центр-анод или центр-катод, нажав кнопку«POLARITY». "CENTRAL ANODE" является параметром по умолчанию.
   5. Отрегулируйте настройки на обычном устройстве tDCS, чтобы включить продолжительность стимула (мин), интенсивность (mA) и настройки фиктивных условий. В этом случае анодальная активная стимуляция составляла 1,5 мА, а стимул длился 20 мин. Далее, нажмите на рычаг«RELAX»,чтобы перейти на полный ток.
   6. Как только все установлено, инициировать стимуляцию. Нажмите кнопку"СНВ",и интенсивность постоянного тока будет расти до тех пор, пока не будет достигнут целевой ток. Затем таймер покажет оставшееся время.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые участники могут чувствовать себя некомфортно в периоды повышенной интенсивности постоянного тока. В таких случаях ток может быть умеренно уменьшен в течение нескольких секунд, потянув вниз "RELAX" рычаг. Затем, нажмите Долли бар до полного тока, постепенно, когда участники чувствуют себя комфортно снова.

6. Постстимуляция

1. Когда стимуляция закончится, поверните рычаг медленно, чтобы настроить ток до нуля, прежде чем выключить питание. В противном случае, участники могут воспринимать ощущение жжения или головокружение при выключении питания непосредственно.
2. После стимуляции откройте пластиковую крышку и снимите с корпусом электроды ag/AgCI.
3. Снимите купающую шапочку и очистите материалы. Предоставьте участникам инструменты для очистки волос.
4. Попросите участников заполнить анкету после каждой сессии стимуляции, если это необходимо (например, для измерения неблагоприятных последствий скрининга после HD-tDCS, толерантности участников к стимуляции мозга и т.д.; см. Дополнительный файл).

Результаты

Используя представленные методы, были определены координаты rTPJ, что требует точек стимуляции за пределами системы 10-20. Во-первых, окружность головной формы должна быть похожа на фактическую головку. Здесь длина назиона до инионформы головы составляла 36 см, а длина между двусторонним пр...

Обсуждение

По сравнению с традиционным tDCS, HD-tDCS увеличивает фокус стимуляции. Типичные участки стимуляции часто основаны на системе ЭЭГ 10-20. Однако определить точные точки стимуляции за пределами этой системы может быть трудно. Эта статья сочетает в себе 3D-дигитайзер с HD-tDCS для определения точек с?...

Материалы

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