고화질 경부 직접 전류 자극이 있는 3D 디지타이저를 사용한 자극 위치 측정
Summary
여기에 제시된 프로토콜은 3D 디지타이저와 고화질 경두개 직접 전류 자극을 결합한 자극 위치의 결정에서 더 높은 정확도를 달성하기 위한 프로토콜이다.
Abstract
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.
Introduction
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 목표로합니다 1,2,3. 또한, 운동 신경 재활 도구로서, tDCS는 파킨슨 병, 뇌졸중 및 뇌성 마비의 치료에 널리 사용된다4. 기존 증거는 전통적인 패드 기반 tDCS가 상대적으로 큰 뇌영역을통해 전류 흐름을 생성한다는 것을 시사한다5,6,7. 고화질 경부 직접 전류 자극(HD-tDCS)은 4개의 복귀 전극으로 둘러싸인 표적 피질 영역에 앉아 있는 중심 링 전극(HD-tDCS)과 함께4개의링 영역5,10을둘레에 의해 초점성을 증가시킨다. 또한, HD-tDCS에 의해 유도된 뇌의 흥분성의 변화는 전통적인 tDCS7,11에의해 생성된 것보다 훨씬 더 큰 크기와 더 긴 지속 시간을 가지고 있다. 따라서 HD-tDCS는 연구7,11에서널리 사용됩니다.
비침습적 뇌 자극(NIBS)은 표준 MNI 및 탈라이라흐시스템(12)에자극 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 시스템13,14이다. 이 측정은 초기 단계13,14,15에서기능적인 근적외선 분광법(fNIRS)을 위한 tDCS 패드및광원 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 제품15를사용하여 목표 지점을 구조 이미지에 일치시킴으로써 정확한 프로브 위치를 얻는 것이다. MRI는 좋은 공간 해상도를 제공하지만15,16,17을사용하는 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 이미지12,15의방대한 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 영역11을생성합니다.
구조 이미지의 데이터를 기반으로 공간 좌표를 표시하는 데 사용되는 3D 디지타이저는 fNIRS 연구18에서광도의 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (31972906), 충칭 해외 귀국 학자를위한 기업가 정신 및 혁신 프로그램 (cx2017049), 중앙 대학 기초 연구 기금 (SWU1809003), 오픈에 의해 지원되었습니다. 정신 건강의 주요 실험실의 연구 기금, 심리학 연구소, 중국 과학 아카데미 (KLMH2019K05), 충칭 대학원생의 연구 혁신 프로젝트 (CYS19117), 및 공동 혁신의 연구 프로그램 기금 베이징 사범 대학의 기본 교육 품질 평가 센터 (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, JCXQ-C-LA-1). 이 원고의 초안에 대한 그의 제안에 대해 오피르 투렐 교수에게 감사드립니다.
Materials
| 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 |
References
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. Journal of Physiology. 527, 633-639 (2000).
- Sellaro, R., Nitsche, M. A., Colzato, L. S. The stimulated social brain: effects of transcranial direct current stimulation on social cognition. Annals of the New York Academy of Sciences. 1369 (1), 218-239 (2016).
- Chen, W., et al. Sex-based differences in right dorsolateral prefrontal cortex roles in fairness norm compliance. Behavioural Brain Research. 361, 104-112 (2019).
- Sánchez-Kuhn, A., Pérez-Fernández, C., Cánovas, R., Flores, P., Sánchez-Santed, F. Transcranial direct current stimulation as a motor neurorehabilitation tool: an empirical review. BioMedical Engineering Online. 16 (1), 76 (2017).
- Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046011 (2011).
- Seo, H., Kim, H. I., Jun, S. C. The Effect of a Transcranial Channel as a Skull/Brain Interface in High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation-A Computational Study. Science Report. 7, 40612 (2017).
- Datta, A., et al. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimulation. 2, 201-207 (2009).
- Turski, C. A., et al. Extended Multiple-Field High-Definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is well tolerated and safe in healthy adults. Restorative Neurology and Neuroscience. 35 (6), 631-642 (2017).
- Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 163-174 (2008).
- Edwards, D., et al. Physiological and modeling evidence for focal transcranial electrical brain stimulation in humans: a basis for high definition tDCS. Neuroimage. 74, 266-275 (2013).
- Kuo, H. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: a neurophysiological study. Brain Stimulation. 6 (4), 644-648 (2013).
- Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (51), (2011).
- Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
- Jasinska, K. K., Guei, S. Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa. Journal of Visualized Experiments. (132), (2018).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), 133-139 (2011).
- Zhu, H. . The easy and stable marking method for registering fNIRS data to MNI space by using 10-20 system. , (2012).
- Young, L., Saxe, R. An fMRI Investigation of Spontaneous Mental State Inference for Moral Judgment. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, 1396-1405 (2009).
- Young, L., Cushman, F., Hause, M., Saxe, R. The neural basis of the interaction between theory of mind and moral judgment. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 104, 8235-8240 (2007).
- Jurcak, V., Tsuzuki, D., Dan, I. 10/20, 10/10, and 10/5 systems revisited: their validity as relative head-surface-based positioning systems. Neuroimage. 34 (4), 1600-1611 (2007).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (76), (2013).
- Klem, G. H., Lüders, H. O., Jasper, H. H., Elger, C. The ten-twenty electrode system of the International Federation. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Cleveland Clinic Foundation. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology Supplement. 52, 3 (1999).
- Society, A. E. Guideline thirteen: Guidelines for standard electrode position nomenclature. Journal of Clinical Neurophysiology. 1, 111-113 (1994).
- Oostenveld, R., Praamstrac, P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. Clinical Neurophysiology. 112, 713-719 (2001).
- Saturnino, G. B., Antunes, A., Thielscher, A. On the importance of electrode parameters for shaping electric field patterns generated by tDCS. Neuroimage. 120, 25-35 (2015).
- . L. Real-time Recording System of Visual Head 3D Positioning Information (VPen). China patent. , (2014).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: Statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
- Decety, J., Lamm, C. The role of the right temporoparietal junction in social interaction: how low-level computational processes contribute to meta-cognition. Neuroscientist. 13 (6), 580-593 (2007).
- Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4×1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).
- Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. The Journal of Pain. 13 (2), 112-120 (2012).
