Локализация функциональных мишеней для транскраниальной магнитной стимуляции в условиях отсутствия навигационной аппаратуры

Резюме

В этой статье описывается, как локализовать функциональные мишени для повторяющихся вмешательств или лечения транскраниальной магнитной стимуляции при недоступности навигационного оборудования.

Аннотация

Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция (рТМС) — это неинвазивный метод, который модулирует нейронную активность в мозге. Исследования показали, что рТМС может регулировать нейронную пластичность, способствовать реорганизации нейронной сети и широко применяется при нейропсихиатрических расстройствах, таких как инсульт. Хотя некоторые исследования показывают, что рТМС может помочь в реабилитации после инсульта, ее эффективность остается неопределенной, возможно, из-за ограничений в традиционной локализации горячей точки кистевого мотора.

Горячая точка кистевого мотора определяется моторными вызванными потенциалами (МЭП), которые отражают проводимость кортикоспинального или пирамидального тракта, представляя собой непроизвольное движение. В отличие от этого, точки активации функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) от двигательной задачи определяют специфичные для функции цели, которые включают как восприятие, так и моторное исполнение, представляя произвольное движение. Исходя из этого, мы предлагаем концепцию функционально-специфичных мишеней — мишеней, идентифицированных с помощью методов визуализации мозга, направленных на конкретные функции. Функционально-специфические мишени демонстрируют более сильную и обширную функциональную связь с областями мозга, связанными с моторным познанием, потенциально предлагая более эффективные регуляторные эффекты, чем горячие точки.

Мы изучили и проверили модулирующие эффекты функционально-специфичных мишеней в предыдущем исследовании. Однако учреждения, не имеющие навигационного оборудования, не могут использовать эти целевые показатели. Поэтому мы разработали метод ненавигационной локализации для функционально-специфичных мишеней, специально предназначенный для определения и локализации мишеней рТМС в ипсилатеральном полушарии после инсульта, решая проблемы, с которыми сталкиваются учреждения, не имеющие навигационного оборудования при применении функционально-специфической целевой рТМС.

Введение

Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция (рТМС) — это неинвазивный метод нейромодуляции, который может регулировать активность мозга и широко используется в лечении нервно-психических расстройств, таких как реабилитация двигательной дисфункции рук у пациентов с инсультом. Некоторые исследования показали, что рТМС оказывает терапевтическое воздействие на постинсультные последствия ^1,2,3, но ее эффективность остается неопределенной. Одной из ключевых причин этой неопределенности является сложность определения точных целей стимуляции. Исследования ТМС, нацеленные на двигательную функцию, часто полагаются на систему Международной электроэнцефалограммы 10-20 для локализации, используя C3/C4 в качестве мишеней стимуляции, или они используют индивидуализированные мишени, такие как горячая точка мотора руки. Однако эти методы не могут точно определить области коры головного мозга, пораженные ТМС. Функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) под контролем прицельной рТМС широко используется в лечении депрессии.

В нашем предыдущем исследовании также изучалось его применение в лечении синдрома Туретта путем стимуляции дополнительной моторной области⁴, но он еще не применялся к первичной моторной области (М1). Для рТМС M1 отличается от других областей мозга тем, что он содержит горячую точку кистевого мотора. Мышечные сокращения, вызванные ТМС, представляют собой непроизвольные движения, отражающие нисходящую проводимость через кортикоспинальные или пирамидные тракты. Напротив, пиковые воксели активации, определенные с помощью фМРТ во время задач постукивания пальцами, более функционально связаны с областями мозга, участвующими в моторном познании, представляя произвольные^{движения.} Таким образом, при лечении двигательных расстройств использование связанной с задачей «активации», определенной фМРТ в качестве функционально-специфичных мишеней, может привести к улучшению терапевтических результатов ^5,6. В нашей предыдущей работе мы сравнили паттерны активации мозга между задачей с визуальным контролем и задачей, инициированной самим с помощью фМРТ, и определили, что задача, которую мы сами инициируем, более тесно согласуется с^{требованиями обучения активной} реабилитации. Мы подтвердили этот вывод, повторно проанализировав подмножество данных из исходного исследования (Рисунок 1).

Точное нацеливание на определенные области функций мозга требует точных инструментов навигации. Тем не менее, современные системы не только громоздки в эксплуатации и ограничены в функциональности, но и калибраторы, устанавливаемые на головке, часто не могут оставаться стабильными во время процедур, склонны к смещению и являются дорогостоящими - иногда их стоимость составляет до одного миллиона китайских юаней (CNY), что составляет примерно 140 000 долларов США (USD). Согласно исследованию моделей использования среди учреждений-членов Консорциума точной медицины для транскраниальной магнитной стимуляции под визуальным контролем (PRECISE), эти недостатки привели к тому, что навигационные технологии используются менее чем в 5% исследований и клинической практики ТМС в Китае, несмотря на их потенциальные преимущества. Более важным, однако, является то, что эти системы сосредоточены только на «обнаружении» мест стимуляции, не решая критический вопрос «определения» мишени, т.е. выбора наиболее подходящей области для стимуляции. Учитывая высокую стоимость, сложность эксплуатации и временные требования, эти устройства еще не получили широкого клинического внедрения.

Чтобы решить проблему использования специфичных для функций целей без навигационных устройств, мы изучили метод ненавигационной, целевой rTMS. С помощью фМРТ мы определили специфичные для функции мишени в моторной коре головного мозга и спроецировали их на поверхность кожи головы, что позволило определить и локализовать цель без необходимости использования навигационного оборудования^. Несмотря на то, что ненавигационная рТМС не обеспечивает мониторинг в режиме реального времени на протяжении всего процесса, она решает проблемы точности локализации мишени в клинических условиях, когда навигационные устройства недоступны. В этой статье подробно описывается общее обоснование исследования и описывается полный экспериментальный процесс, с особым акцентом на сравнение эффектов специфичных для функции целей на функцию мозга как в навигационных, так и в ненавигационных условиях. Чтобы проверить целесообразность функционально-специфической целевой рТМС, в настоящее исследование были включены только здоровые люди.

протокол

Эта работа была одобрена Комитетом по этике Спортивного университета Чэнду, и все участники получили письменное информированное согласие (Рисунок 2). Этот протокол описывает целевую rTMS без навигации и целевую rTMS, специфичную для конкретной функции.

1. Набор участников

1. Наберите 10 здоровых взрослых праворуких участников (в возрасте от 22 до 29 лет, 5 женщин и 5 мужчин; средний возраст 24 ± 2 года). Исключить одного участника из-за движения головы, превышающего 2,5 мм при перемещении или 2,5° при вращении. Наконец, включите 9 участников в статистический анализ.
   1. Критерии включения
      1. Набирайте участников в возрасте от 18 до 30 лет, которые являются правшами, прошли скрининг безопасности МРТ и ТМС и не имеют в анамнезе эпилепсии или других неврологических или психических расстройств.
      2. Убедитесь, что участники соответствуют дополнительным критериям, таким как отсутствие противопоказаний для проведения МРТ, отсутствие в анамнезе черепно-мозговой травмы или тяжелых сердечных заболеваний, а также что они в настоящее время не принимают противоэпилептические или антикоагулянтные препараты.
      3. Набирайте участников, у которых нет нарушений сознания, металлических предметов в теле (таких как кардиостимуляторы, металлические зубные имплантаты или внутриматочная спираль), нет тяжелой клаустрофобии или беременности, и чье зрение либо нормальное, либо скорректированное до нормального.
2. Критерии исключения данных после эксперимента
   1. Исключите данные участников, которые не смогли завершить эксперимент или чьи движения головы во время сканирования фМРТ превышали 2,5 мм перемещения или 2,5° поворота.
3. Рекомендации для участников перед экспериментом
   1. Убедитесь, что все участники подписали форму информированного согласия, в которой разъясняется цель исследования, экспериментальные процедуры, а также потенциальные побочные эффекты и риски.
   2. Проведение скрининга безопасности для участников.
   3. Объясните процедуры эксперимента и меры предосторожности для обеспечения бесперебойного проведения эксперимента.
   4. Посоветуйте участникам избегать алкоголя, кофе или энергичных физических упражнений перед экспериментом.
   5. Напомните участникам о необходимости высыпаться и не ложиться спать допоздна.

2. Сбор данных фМРТ

ПРИМЕЧАНИЕ: Все участники проходят МРТ в Центре магнитно-резонансной томографии мозга в кампусе Циншуйхэ Университета электронных наук и технологий Китая с использованием сканера 3T GE MR750. Каждый сеанс сканирования включает в себя Т1-взвешенное структурное изображение, 8-минутную фМРТ в состоянии покоя (РС-фМРТ) и 4-минутную Task-фМРТ. Участники получают два вмешательства рТМС: одно с навигацией и одно без, с интервалом в 1 неделю между сеансами для устранения остаточных явлений. Проводите МРТ до и после каждого вмешательства, всего четыре сканирования.

ПРИМЕЧАНИЕ: Уравновесьте последовательность навигационных и ненавигационных условий у всех участников.

1. Процедуры сканирования
   1. Перед входом в кабинет МРТ наденьте на участников беруши, чтобы снизить шум и убедиться, что все металлические предметы удалены.
   2. Объясните задачи, которые участники должны выполнить во время сканирования.
   3. Убедитесь, что участники лежат лежа на спине на кровати для сканирования, а их голова надежно зафиксирована с помощью поролоновых прокладок, чтобы свести к минимуму движения головы.
   4. Во время сканирования РС-фМРТ попросите участников закрыть глаза, избегать обдуманных размышлений и бодрствовать, чтобы не заснуть.
   5. Вручную экспортируйте изображения на указанный сетевой диск или внешнее запоминающее устройство.
2. Параметры сканирования
   1. Используйте следующие параметры сканирования RS-фМРТ: время повторения (TR) = 2 000 мс, время эхо (TE) = 30 мс, угол поворота (FA) = 90°, поле зрения (FOV) = 220 мм × 220 мм, матрица = 64 x 64, толщина/зазор среза = 3,4 мм/0 мм, всего 41 срез, охватывающий весь мозг, и 240 собранных временных точек.
   2. Используйте следующие Т1-взвешенные параметры сканирования структурных изображений: последовательность испорченного градиентного эхо-эха (SPRG), сагиттальное сканирование TR/TE = 8,2 мс/2,98 мс, FA = 8°, FOV = 256 мм x 256 мм, матрица = 256 x 256, толщина/зазор среза = 1 мм/0 мм, со 166 срезами, охватывающими весь мозг.
   3. Используйте параметры сканирования task-fMRI, идентичные параметрам RS-fMRI, за исключением того, что собираются только 120 временных точек.
3. Детали выполнения задачи
   1. Расположите участников ладонями вверх и держите коробку для пуговиц.
   2. Положите полотенца между головами участников и катушкой, чтобы стабилизировать их голову и свести к минимуму движения.
   3. Блочный дизайн, самостоятельно инициируемое задание (4 мин): Когда на экране появится изображение «+», попросите участников отдохнуть. Когда на экране появится изображение часов, попросите участника нажимать кнопку большим пальцем правой руки каждые 2 секунды, засекая время самостоятельно (дополнительный рисунок S1).

3. Измерение порога двигателя покоя (RMT)

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте поверхностную электромиографию (ЭМГ) для регистрации амплитуды моторного потенциала (MEP) от правой отводящей мышцы (APB) с помощью катушки в форме восьмерки диаметром 70 мм, прикрепленной к стимулятору Magstim Super Rapid2, для измерения RMT с помощью одноимпульсной стимуляции.

1. Перед тестированием удалите все металлические предметы, чтобы избежать помех и обеспечить безопасность.
2. Пусть участники сядут на стул и полностью расслабятся.
3. Нанесите отшелушивающий скраб и 75% спирт на руки участников.
4. Поместите поверхностные электроды из серебра/хлорида серебра (Ag/AgCl) на мышечный живот.
5. Расположите электрод сравнения на пястно-фаланговом суставе так, чтобы расстояние между электродами составляло от 20 мм до 30 мм.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Важные параметры: Для измерений используйте электроды диаметром 9 мм. Электромагнитный сигнал от мышцы APB усиливается в 1000 раз, полоса пропускания фильтруется в диапазоне от 20 Гц до 2,5 кГц, а затем оцифровывается через микроцифровой интерфейс с частотой дискретизации 5 кГц. Затем данные сохраняются на компьютере и отображаются на экране.
6. Загрузите структурный образ человека T1. Поместите катушку над контралатеральной первичной моторной областью, а именно на «среднем колене» центральной борозды, также известной как «ручка руки», которая представляет собой область руки в первичной моторной коре.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Подтвердите расслабление мышц как визуально, так и с помощью ЭМГ-мониторинга.
7. Перемещайте катушку вокруг «ручки» с шагом 0,5 см.
8. Расположите рукоятку под углом 45° к средней сагиттальной плоскости, чтобы измерить MEP.
9. Начните с подпороговой интенсивности стимуляции, увеличивая ее каждый раз на 5% от максимального выхода стимула. Когда амплитуда MEP от размаха до размаха превышает 50 мкВ, интенсивность стимуляции уменьшается ступенчато на 1% от максимальной мощности.
10. Запишите минимальную интенсивность стимуляции, которая вызывает по меньшей мере пять MEP больше или равнее 50 мкВ в 10 последовательных одноимпульсных стимуляциях в качестве RMT, при этом это место будет определено как горячая точка. Если горячая точка не может быть определена после шести стимуляций, переместите катушку в следующее место.

4. Индивидуализированная целевая rTMS для конкретных функций

1. Определите индивидуализированную целевую цель, специфичную для функции.
   1. Открыв программное обеспечение для предварительной обработки, нажмите на DPARSF 5.4, затем выберите DPARSF Advanced Edition для предварительной обработки данных о состоянии задачи с использованием конкретных параметров, показанных в дополнительном файле 1. Выполняйте коррекцию времени среза и движения головы. Объедините функциональные изображения со структурными изображениями и примените пространственное сглаживание с полной шириной в половине максимума (FWHM) 6 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Отрегулируйте конкретные параметры в соответствии с моделью машины или задачей сканирования.
   2. Откройте SPM12 и нажмите Coregister Estimate. Для эталонного изображения выберите файл с именем "sub*crop_1.nii" из папки T1Img. В качестве исходного изображения выберите файл "mean*.nii" из папки RealignParameter. Для другого изображения выберите файл "ra*.nii" из папки FunImgAR.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте файл функционального изображения, созданный после коррекции движения и коррекции времени среза, в качестве "Другого изображения". Альтернативные файлы могут быть выбраны в зависимости от цели исследования.
   3. Нажмите на «Сегментировать» | Тома и выберите файл с именем "sub*crop_1.nii" из папки T1Img. В поле «Поля деформации» выберите «Инверсия + вперед», затем нажмите «Выполнить». Повторите этот процесс, чтобы сегментировать файл "sub*.nii" из папки T1Img.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сегмент "sub*crop_1.nii" для вычисления точки активации отдельной задачи. Сегмент "sub*.nii" для преобразования стандартной маски пространства в индивидуальное пространство.
   4. Нажмите на кнопку Smooth, выберите файлы "ra*.nii" из папки FunImgAR для опции Image to Smooth и введите 6 6 6 в поле FWHM .
   5. Выполнение анализа первого уровня для получения индивидуальных карт активации и определения пикового воксела активации в качестве цели стимуляции. Включите в себя следующие три шага:
      1. Создайте новую папку с именем "indiv_act" и нажмите "Указать 1-й уровень". В поле "Директория" выберите папку "indiv_act", нажмите "Единицы измерения для проектирования", выберите "Сканы" и введите 2 для интервала "Интерскан". В разделе «Данные и дизайн» выберите файлы «sra*.nii» в разделе «Сканирование»; в разделе Условие установите Имя для касания (пользовательское имя), введите 0 30 60 90 для Начала и установите Длительность на 15. Нажмите на Multiple regressors и выберите файл "rp_a*.txt" из RealignParameters.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Заполните информацию о начале и продолжительности в соответствии с фактическим планом эксперимента.
      2. Оценка: В разделе "Выберите SPM.mat" выберите файл "SPM.mat" из папки "indiv_act" и сгенерируйте индивидуальную карту активации задачи "spmT_0001".
      3. Нажмите « Результаты», выберите файл «SPM.mat» из папки «indiv_act», проверьте t-контраст и нажмите « Определить новый контраст». Введите пользовательское имя в поле имени, введите 1 0 в поле контраста , нажмите на Отправить | ОК | Сделано. В поле Применить маскирование выберите Нет; в разделе p для настройки управления выберите Нет со значением 0,001; Установите пороговое значение & extend равным 0.
   6. Нажмите на Нормализовать (Написать) | Данные. В поле «Поля деформации» выберите файл «iy_Crop_1» из папки T1Img. Для записи изображения выберите маску области мозга M1. Введите отдельные размеры ограничительной рамки и вокселя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Введите размеры ограничивающей рамки и вокселя в зависимости от конкретных характеристик данных.
   7. Нажмите на кнопку Coregister (Reslice), затем выберите spmT_0001 из папки "indiv_act" для Image Defining Space. В опции Image to Reslice выберите файл "w*.nii", созданный на шаге 4.1.6.
   8. Вычислите пик активации отдельной задачи: В MATLAB запустите положительный код сортировки . Для InputName1 выберите путь к файлу "rw*.nii", сгенерированному на шаге 4.1.7; для InputName2 выбираем путь к файлу "spmT_0001" из папки "indiv_act"; для InputName3 выберите путь к выходной папке. Первая X-координата с отрицательным значением (левое полушарие) в отсортированных результатах является пиком активации отдельной задачи; Запишите координаты этой точки.
2. Найдите индивидуализированную целевую цель, специфичную для функции (навигация).
   1. Определите выходную интенсивность стимулятора на основе РМТ участника.
   2. Используйте безрамочную стереотаксическую оптическую следящую нейронавигационную систему, при которой участник удобно сидит и носит калибратор, установленный на голове.
   3. Нажмите на анатомическую опцию: Импортируйте Т1-взвешенные структурные изображения участника в навигационную систему для моделирования головы.
   4. Нажмите на опцию «Реконструкция »: Реконструировать кожу на изображении.
   5. Нажмите на опцию «Ориентиры »: Используйте инструмент локализации , чтобы отметить четыре ориентира (назион, кончик носа и преаурикулярные точки с обеих сторон) на голове.
   6. Нажмите на опцию «Цель »: Определите и установите целевую траекторию в области мозга. Найдите цель стимуляции на индивидуальных изображениях участника. После позиционирования переместите мишень так, чтобы она совпала с перекрестием. Полная локализация TMS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сделайте катушку касательной к коже головы и выровняйте фокус стимуляции с целью.
3. Найдите индивидуализированный целевой объект, специфичный для функции (без навигации).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Весь код для локализации цели скальпа представлен в Дополнительный файл 2.
   1. Используйте SPM12 для сегментации стандартного шаблона мозга Монреальского неврологического института (MNI) (mni_icbm152_t1_tal_nlin_asym_09c.nii, расположенного в папке «Шаблоны» DPABI) для получения стандартной маски кожи головы. Конкретные шаги заключаются в следующем:
      1. Откройте SPM12, нажмите на фМРТ, а затем выберите «Сегментировать » во всплывающем меню. В интерфейсе параметров нажмите на кнопку «Объемы », выберите стандартный файл шаблона мозга (т.е. шаблон мозга MNI) из опции «Объемы », а затем нажмите на «Поля деформации », чтобы выбрать «Обратный + прямой».
      2. Очертите внутренний и внешний края стандартного скальпа: В MATLAB запустите код по краям. Во всплывающем окне выберите изображение c5.nii , нажмите « Готово» и сгенерируйте файл «c5_edges.nii».
      3. Наметьте изображение внешнего края стандартного скальпа: В MATLAB запустите код outer_edge . Во всплывающем интерфейсе выберите файл c5_edges.nii и нажмите « Готово », чтобы создать файл «c5_outer_edge.nii», который представляет границу скальпа в стандартном пространстве.
   2. Используйте SPM12, чтобы превратить стандартный край скальпа обратно в индивидуальное пространство. В интерфейсе меню нажмите Normalize (Запись), затем в интерфейсе параметров нажмите Data. В поле Поля деформации выберите файл iy_sub*.nii из папки T1Img. Выберите c5_outer_edge.nii для параметра «Изображения для записи» и введите размеры отдельных ограничивающих рамок и вокселей.
   3. Преобразование координат коры головного мозга в координаты скальпа: Откройте код TransCortex2Scalp в MATLAB и выполните первую строку. Во всплывающем интерфейсе введите координаты отдельной точки активации задачи и выберите файл wc5_outer_edge.nii . Запишите координаты скальпа.
   4. Откройте DPABI_Viewer, нажмите « Подложка» и выберите отдельное структурное изображение T1. Найдите и запишите координаты четырех опорных точек: левого и правого аурикулярных пиков, насиона и иниона.
   5. Определите начало координат скальпа: Откройте код пересечения в MATLAB. В редакторе введите координаты четырех точек ориентиров в их заданных положениях. Запустите код для вычисления координат пересечения линии, соединяющей левый и правый ушные кончики с линией, соединяющей насион и инион, затем запишите координаты.
   6. Переместите точку пересечения по оси Z к коже головы: Откройте исходный код в MATLAB. Введите координаты точки пересечения в положении Определить точку H в редакторе. Запустите код, затем выберите файл wc5_outer_edge.nii во всплывающем окне, чтобы получить координаты начала координат скальпа O.
      1. Проведите линию, соединяющую два ушных вкладыша, чтобы определить ось X, и линию, соединяющую нос и наружный затылочный бугор, чтобы определить ось Y. Ось, перпендикулярная обоим, определяет ось Z. Двумерная плоскость, образованная осью XY, является плоскостью XY.
   7. Рассчитайте фактическое расстояние от начала координат скальпа O до каждой точки: Запустите код расстояния , выберите файл wc5_outer_edge во всплывающем интерфейсе и в командном окне следуйте инструкциям, чтобы ввести начало координат скальпа, цель скальпа и четыре точки ориентира.
      ПРИМЕЧАНИЕ: «Каждая точка» относится к четырем контрольным точкам скальпа на шаге 4.3.4 и цели для скальпа. Этот код может вычислять только расстояние по дуге между одной точкой и другой за раз. Чтобы рассчитать расстояние между разными парами точек, нужно запустить код еще раз.
   8. Рассчитайте угол между линией, соединяющей цель скальпа и начало координат скальпа, и осью X в плоскости XY: Откройте код calculate_angle_X_axis и выполните первую линию. В окне команд введите координаты начала координат скальпа и цели стимуляции в соответствии с запросом.
   9. Используйте прицельную линейку (как показано на рисунке 3), чтобы зафиксировать соответствующее положение мягкой линейки на основе расстояния и угла, рассчитанных на предыдущих шагах. Отметьте кожу головы смываемой ручкой. Завершите локализацию мишени стимуляции кожи головы (Рисунок 4).
4. рТМС
   1. Выберите повторяющийся режим, чтобы задать параметры стимуляции, включая интенсивность стимуляции, частоту (10 Гц), продолжительность (3 с), количество импульсов в каждой линии (30 импульсов), время ожидания (12 с), количество последовательностей (60 поездов) и общее количество импульсов, доставляемых в день (1 800 импульсов).
   2. Сохраните сеанс и нажмите кнопку «Запустить », чтобы начать стимуляцию.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Интенсивность стимуляции устанавливается в соответствии с RMT участника, который в данном исследовании установлен на уровне 100% RMT.
   3. В течение получаса после окончания стимуляции попросите участника пройти еще одно МРТ-сканирование, используя ту же последовательность сканирования, которая использовалась до стимуляции.

5. Детектирование модуляторных эффектов рТМС (обработка и анализ данных МРТ)

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте программное обеспечение для предварительной обработки данных RS-фМРТ, которая включает в себя следующие конкретные шаги:

1. Удалите первые 10 временных точек, чтобы достичь равновесия сигнала и позволить участникам адаптироваться к шуму сканера.
2. Исправьте временную задержку сбора данных между срезами.
3. Выполните коррекцию движений головы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Различные пределы движения головы могут быть установлены в зависимости от конкретных требований исследования.
4. Нормализуйте функциональные изображения в пространстве MNI с помощью шаблона EPI.
5. Регрессируйте неприятные сигналы, в том числе от белого вещества, спинномозговой жидкости и шести параметров движения головы.
6. Уберите линейные тренды.
7. Примените полосовую фильтрацию (0,01-0,1 Гц).
8. Проведите пространственное сглаживание с помощью гауссова ядра с FWHM 6 мм.
9. Рассчитывайте показатели активности мозга после предварительной обработки, включая амплитуду низкочастотных колебаний (ALFF) и функциональную связность (FC). Рассчитайте различия в показателях локальной активности мозга (ALFF и FC) между пре-рТМС и пост-рТМС как в навигационных, так и в ненавигационных условиях, а также проведите парные t-тесты на разностных картах (коррекция GRF, воксель p < 0,001, кластер p < 0,05).

Результаты

Результаты парного t-критерия и двустороннего ANOVA показали, что не было существенных различий в изменениях ALFF или FC до и после рТМС как в навигационных, так и в ненавигационных условиях (коррекция GRF, воксель p < 0,001, кластер p < 0,05). Существенных различий между навигационными и ненавигационными условиями не наблюдалось. Этот результат соответствует нашим ожиданиям, указывая на то, что наш метод без навигации не имеет существенных недостатков по сравнению с методом навигации. Чтобы избежать необоснованных утверждений об отсутствии существенных различий, мы представляем здесь карты t-теста с одной выборкой для обоих условий rTMS (нескорректированные, воксель p < 0,05) (рис. 5). Эти результаты не выдерживают никакой корректировки множественного сравнения, такой как коррекция FDR или GRF. Для оценки эквивалентности изменений функций мозга, вызванных методами без навигации и с навигацией, был проведен анализ мощности с использованием метода Коэна d. Результаты показали, что значение d Коэна для ALFF составило 0,22, в то время как значение d Коэна для FC составило 0,56.

Рисунок 1: Результаты парных t-тестов. (A) Различия между функциональными связями на основе активации и на основе точек доступа APB (коррекция GRF, один воксель p < 0,001, уровень кластера p < 0,05). (B) Различия в активации мозга между заданиями на самостоятельное постукивание пальцами и задачами на постукивание пальцами под визуальным контролем у 25 участников (коррекция FDR, q < 0,05). (C) Различия между функциональной связностью на основе самоинициации и функциональной связности, основанной на активации состояния под визуальным контролем, у 35 участников (коррекция GRF, один воксель p < 0,001, кластер p < 0,05). Рисунок 1A был адаптирован из Wang et al. (2020)⁵; Рисунки 1B,C были подготовлены путем извлечения другого подмножества данных из Wang et al. (2023)⁶. Сокращения: APB = Abductor pollicis brevis; GRF = случайное поле Гаусса; FDR = Процент ложных обнаружений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Блок-схема экспериментального дизайна. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Принципиальная схема нацеленной линейки. (А) Вид спереди на нацеливающую линейку. 1. Ручка; 2. Опорная точка скальпа (т.е. начало координат скальпа в плоскости XY); 3. Жесткая измерительная линейка (акриловый материал); 4. Вращающаяся и гибкая измерительная линейка (силиконовый материал). (B) Увеличенное изображение опорной точки скальпа (т.е. увеличенное изображение 2 в А). (C) Увеличенный вид гибкой измерительной линейки (т.е. увеличенный вид 3 и 4 в A). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Преобразование функционально-специфичной кортикальной мишени в функционально-специфичную мишень для скальпа. Красная точка представляет специфичную для функции кортикальную мишень, зеленая точка представляет специфичную для функции цель скальпа, а синяя точка указывает на начало 2D-системы координат на скальпе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Результаты t-тестов с одной выборкой. (A) Модулирующие эффекты рТМС без навигации на функцию мозга (p < 0,05, без коррекции). (B) Навигационные модулирующие эффекты рТМС на функцию мозга (p < 0,05, без коррекции). Сокращения: FC = функциональная связность; ALFF = амплитуда низкочастотных колебаний; rTMS = повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный файл 1: Параметры, используемые в DPARSF Advanced Edition, как указано в разделе протокола 4.1.1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 2: Zip-папка, содержащая код MATLAB, использованный в этом исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок S1: Самостоятельно инициируемая задача постукивания пальцами. Задание состояло из восьми блоков, каждый из которых длился 30 секунд, в результате чего общая продолжительность составила 4 минуты . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Обсуждение

В этом исследовании мы предлагаем концепцию функционально-специфических мишеней, которые представляют собой области мозга, связанные с конкретными функциями, идентифицированными с помощью методов нейровизуализации. Основываясь на предыдущих исследованиях ^8,9,10, мы разработали новый инструментарий ^7,11,12 для определения местоположения мишеней кожи головы, соответствующих функционально-специфичным областям коры головного мозга, что позволяет использовать целевую ТМС без необходимости использования навигационного оборудования. По сравнению со стимуляцией с помощью навигационного оборудования не наблюдалось существенных различий в эффектах функций мозга. Это говорит о том, что в некоторых случаях наш метод может обеспечить индивидуализированную целевую rTMS без необходимости использования дорогостоящего навигационного оборудования.

Основные шаги в протоколе эксперимента
Чтобы обеспечить точность локализации рТМС без навигации, оператор должен совместить шкалу на линейке наведения с левым и правым ухом, национом и инионом. Накипь должна быть плотно прижата к поверхности кожи головы, чтобы свести к минимуму погрешности измерения, вызванные толщиной волос. Этот процесс имеет решающее значение для повышения точности локализации и обеспечения точного нацеливания на место стимуляции.

Усовершенствования экспериментального метода и потенциальные технические проблемы
Поскольку данный способ является усовершенствованным вариантом ранее разработанной методики¹¹, до настоящего времени не было выявлено никаких областей для совершенствования. Что касается потенциальных технических проблем, индивидуальные различия в форме черепа могут привести к менее заметным затылочным выпуклостям у некоторых участников, что может привести к ошибкам локализации. В таких случаях затылочный бугор может быть опущен, а другие ориентиры (такие как маркеры левого и правого уха и назион) могут быть использованы для локализации без ущерба для точности, так как избыточность уже учтена на этапе разработки.

Ограничения метода rTMS без навигации
Основное отличие от навигационной рТМС заключается в невозможности контролировать относительное расстояние и направление катушки до цели стимуляции в режиме реального времени. Тем не менее, даже при использовании системы rTMS с навигацией мониторинг в режиме реального времени по-прежнему требует от опытных операторов ручной настройки.

Значение экспериментального метода по отношению к существующим методам
По сравнению с навигационным оборудованием, наш метод не требует длительного позиционирования или калибровки оборудования. Вместо этого пользователи просто вводят данные МРТ в скрипт кода, а затем вычисляют соответствующие расстояния с помощью кода, после чего позиционирование быстро завершается с помощью измерительного инструмента. Исходя из нашего опыта, этот метод экономит не менее 15 минут по сравнению со сложными процедурами, связанными с навигацией. Навигационное оборудование обычно требует дорогостоящего оборудования и специализированного обучения, в то время как наш метод требует только изображений МРТ и стандартных расчетов для достижения быстрой, удобной и точной локализации, что значительно снижает как первоначальные затраты, так и сложность эксплуатации.

Что касается стоимости, то наш измерительный инструмент получил патент на изобретение (ZL202411874788.9)¹²., который помогает защитить интеллектуальную собственность, но не приводит к значительному увеличению производственных затрат. В настоящее время мы занимаемся 3D-моделированием, и скоро мы сможем напечатать этот инструмент на 3D-принтере для наших клинических сотрудников. Соображения стоимости были учтены на этапе проектирования с самого начала. Для тех, кто не сотрудничает и желает приобрести инструмент, цена составляет всего 500 юаней (примерно 70 долларов США), что остается доступным несмотря на патентную защиту.

Важность и потенциальные возможности применения метода в конкретных областях исследований
В последние годы вмешательство и лечение рТМС приобретают все большую популярность как в исследовательской, так и в клинической областях. Как и все терапевтические методы, разработка направлена на точные, индивидуализированные методы лечения, нацеленные на конкретные функции. Однако навигационные системы и оборудование стоят дорого, и большинство больниц в Китае в настоящее время не имеют доступа к таким устройствам. Этот метод решает проблему индивидуализированной, специфичной для функции целевой rTMS без необходимости навигации. Он проецирует корковые целевые координаты на кожу головы и использует инструмент для обозначения координат на поверхности кожи головы. Метод нацеливания коры головного мозга на основе фМРТ, используемый в этом подходе, идентичен целевым координатам фМРТ, используемым навигационными системами и оборудованием во всем мире. Несмотря на то, что он не может контролировать относительное расстояние и направление между катушкой и мишенью для стимуляции в режиме реального времени, он все же имеет преимущества по сравнению с существующими клиническими методами «слепого нацеливания» (например, использование анатомических ориентиров на поверхности кожи или выбор горячей точки ручного мотора). Этот метод служит переходным подходом между точной навигацией в реальном времени и «слепым наведением». Для клинических учреждений без навигационных систем и оборудования он может решать практические клинические задачи. Этот метод будет в значительной степени способствовать высокоточному лечению ТМС под контролем фМРТ, что приведет к открытию более эффективных мишеней для стимуляции и повышению эффективности лечения различных неврологических и психических расстройств.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brainsight Neuronavigation system	Rogue Research Inc.	KITBSF0104
DPABI_V7.0 toolkit	DeepBrain		for RS-fMRI and task-based fMRI data analysis
Magstim Rapid2	The MAGSTIM Company Limited	3012-00
SPM12 (7771)	Wellcome Centre for Human Neuroimaging		for RS-fMRI and task-based fMRI data analysis
The Brainsight 2 channel electromyography acquisition device	Rogue Research Inc.	NTBX001001