Определение местоположения стимуляции с помощью 3D Digitizer с высокой четкостью Transcranial Прямого тока стимуляции
Summary
Представлен протокол для достижения более высокой точности в определении местоположения стимуляции, сочетающей 3D-дигитайзер с высокой четкостью транскраниальной стимуляции прямого тока.
Abstract
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).
Introduction
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 людей1,2,3. 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 мозга5,6,7. Высокой четкости транскраниального прямого тока стимуляции (HD-tDCS), с электродом центрального кольца, сидя над целевой корковой области, окруженной четырьмя электродами возвращения8,9, увеличивает фокус, окольцевая четыре области кольца5,10. Кроме того, изменения возбудимости мозга, индуцированные HD-tDCS имеют значительно большие величины и более длительные сроки, чем те, которые генерируются традиционными tDCS7,11. Таким образом, HD-tDCS широко используется в исследованиях7,11.
Неинвазивная стимуляция мозга (NIBS) требует специализированных методов для обеспечения того, чтобы место стимуляции присутствовало в стандартных системах MNI и Talairach12. 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 системы13,14. Это измерение широко используется для размещения tDCS колодки и оптододержатели для функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) в начальной стадии13,14,15.
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 использовать15,16,17. 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 изображения12,15. 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (31972906), Предпринимательство и инновации Программа Чунцина зарубежных вернувшихся ученых (cx2017049), Фундаментальные исследовательские фонды для центральных университетов (SWU1809003), Открыть Научно-исследовательский фонд Ключевой лаборатории психического здоровья, Институт психологии, Китайская академия наук (KLMH2019K05), исследовательские инновационные проекты аспиранта в Чунцине (CYS19117), а также научно-исследовательские фонды совместных инноваций Центр оценки качества базового образования в Пекинском обычном университете (2016-06-014-БЗК01, SCSM-2016A2-15003, и JCX-C-LA-1). Мы хотели бы поблагодарить профессора Офира Туреля за его предложения по раннему проекту этой рукописи.
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).
