הגדרת מיקום גירוי באמצעות התקן הדיגיטציה תלת-ממדי עם Transcranial High Definition הגדרה ישירה הגירוי הנוכחי
Summary
מוצג כאן הוא פרוטוקול כדי להשיג דיוק גבוה יותר בקביעת מיקום הגירוי המשלב התקן דיגיטציה תלת-ממדי עם גירוי high-definition transcranial direct.
Abstract
שפע של נתונים נוירוהדמיה והתפתחות מהירה של למידה ממוחשבת הפכה את האפשרות לחקור דפוסי הפעלת המוח. עם זאת, ראיות סיבתי של הפעלה באזור המוח המוביל להתנהגות היא לעתים קרובות נשאר חסר. Transcranial ישירה הגירוי הנוכחי (tDCS), אשר יכול באופן זמני לשנות את המוח והפעילות העצבית והפעולה, הוא כלי נוירופיזיולוגי פולשני המשמש לחקר יחסים סיבתי במוח האנושי. High-definition transcranial ישיר גירוי הנוכחי (HD-tDCS) הוא גירוי מוחי לא פולשני (NIBS) טכניקה המייצרת זרם מיקוד יותר בהשוואה tDCS קונבנציונאלי. באופן מסורתי, מיקום גירוי כבר נקבע בערך דרך מערכת EEG 10-20, כי קביעת נקודות גירוי מדויק יכול להיות קשה. פרוטוקול זה משתמש בדיגיטציה תלת-ממדית עם HD-tDCS כדי להגביר את הדיוק בקביעת נקודות גירוי. השיטה מומחש באמצעות התקן דיגיטציה תלת-ממדי לצורך לוקליזציה מדויקת יותר של נקודות גירוי בצומת הימני-הקודקודית (rTPJ).
Introduction
Transcranial ישירה הגירוי הנוכחי (tDCS) היא טכניקה לא פולשנית המודולליות בקליפת הגולגולת עם זרמים ישירים חלשים על הקרקפת. היא מטרתה לבסס סיבתיות בין היכולת העצבית וההתנהגות בבני אדם בריאים1,2,3. בנוסף, ככלי עצבי מנוע, tDCS משמש רבות לטיפול במחלת פרקינסון, שבץ, ושיתוק מוחין4. הראיות הקיימות מצביעות על כך מסורתי מבוססי pad tdcs מייצרת זרימה הנוכחית דרך אזור המוח גדול יחסית5,6,7. High-definition transcranial ישיר גירוי הנוכחי (HD-tdcs), עם טבעת מרכז אלקטרודה יושב על אזור קורטיקלית היעד מוקף ארבעהאלקטרודותהחזרה 8,9, מגביר את החדות על ידי הגדרת ארבעה באזורים טבעת5,10. בנוסף, שינויים ביכולת ההתרגשות של המוח הנגרמת על ידי HD-tDCS יש גניטודות גדול משמעותית משכים ארוכים יותר מאשר אלה שנוצרו על ידי tDCS מסורתיים7,11. לכן, HD-tDCS נמצא בשימוש נרחב במחקר7,11.
גירוי מוחי לא פולשני (NIBS) דורש שיטות מיוחדות כדי להבטיח כי האתר גירוי נמצא בתקן MNI ו Talairach מערכות12. שיטה המאפשרת למפות אינטראקציות בין גירויים transcranial לבין המוח האנושי. ההדמיה ונתוני התמונה התלת-ממדיים משמשים לגירוי מדויק. הן tdcs ו-HD-tdcs, הערכה נפוצה של אתרי גירוי על הקרקפת היא בדרך כלל EEG 10-20 מערכת13,14. מדידה זו משמשת רבות להצבת רפידות tdcs ומחזיקי אלקטרואופטיקה לשימוש פונקציונלי הקרוב לאינפרא-אדום (fnirs) בשלב ההתחלתי13,14,15.
קביעת נקודות גירוי מדויקות כאשר השימוש במערכת 10-20 יכול להיות קשה (למשל, בצומת זמניות-הקודקוד [TPJ]). הדרך הטובה ביותר לפתור זאת היא להשיג תמונות מבניות מהמשתתפים באמצעות דימות תהודה מגנטית (MRI), לאחר מכן להשיג את המיקום המדויק בדיקה על ידי התאמת נקודות היעד לתמונות מבניות שלהם באמצעות מוצרים הדיגיטציה15. MRI מספק פתרון מרחבי טוב, אבל הוא יקר לשימוש15,16,17. יתר על כן, חלק מהמשתתפים (למשל, אלה עם שתלים ממתכת, אנשים קלסטרופובי, נשים בהריון, וכו ‘) לא יכול להיות נתון סורקי MRI. לכן, יש צורך חזק בדרך נוחה ויעילה להתגבר על המגבלות הנ ל ולהגביר את הדיוק בקביעת נקודות גירוי.
פרוטוקול זה משתמש בדיגיטציה תלת-ממדית כדי להתגבר על מגבלות אלה. בהשוואה ל-MRI, יתרונות מרכזיים של התקן דיגיטציה תלת-ממדי הם עלויות נמוכות, יישום פשוט וניידות. הוא משלב חמש נקודות התייחסות (כלומר, Cz, Fpz, עוז, נקודה מראש שמאל, ונקודה מראש מימין) של אנשים עם מידע מיקום של נקודות גירוי היעד. לאחר מכן, הוא מייצר מיקום 3d של אלקטרודות על הראש של הנבדק ומעריך את התנוחות קורטיקלית שלהם על ידי התאמת הנתונים העצומים מהתמונה המבנית12,15. שיטת הרישום הבדיקה מאפשרת להציג נתוני מיפוי transcranial במערכת הקואורדינטות MNI מבלי להקליט תמונות תהודה מגנטית של נושא. הגישה מייצרת מדבקות אנטומיים אוטומטיים ואזורי ברומאן11.
התקן הדיגיטציה התלת-ממדי, המשמש לסימון קואורדינטות מרחב בהתבסס על הנתונים מתמונות מבניות, השתמשו לראשונה כדי לקבוע את מיקום האופדות במחקר fNIRS18. עבור אלה המשתמשים HD-tDCS, התקן דיגיטציה תלת-ממדי מנתק את נקודות גירוי סופי של מערכת EEG 10-20. המרחק של ארבע אלקטרודות התשואה והאלקטרודה המרכזית היא גמישה וניתן להתאימו לפי הצורך. בעת שימוש בתקן הדיגיטציה תלת-ממדי עם פרוטוקול זה, נקודות הציון של rTPJ שאינן מעבר למערכת 10-20. כמו כן מוצגים ההליכים למיקוד ולעירור הצומת הימני-הקודקודית (rTPJ) של המוח האנושי.
Protocol
Representative Results
Discussion
בהשוואה ל-tDCS מסורתיים, HD-tDCS מגביר את הגירוי בגירויים. אתרים טיפוסיים של גירוי מבוססים לעתים קרובות על מערכת EEG 10-20. עם זאת, קביעת נקודות גירוי מדויקות מעבר למערכת זו יכולה להיות קשה. נייר זה משלב התקן הדיגיטציה תלת-ממדי עם HD-tDCS כדי לקבוע נקודות גירוי מעבר למערכת 10-20. חשוב להגדיר בבהירות את הצע?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה היה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (31972906), יזמות וחדשנות התוכנית עבור צ’ונגצ’ינג בחו ל השיבה החוקרים (cx2017049), כספי המחקר היסודי של האוניברסיטאות המרכזיות (SWU1809003), פתח קרן מחקר של המעבדה המפתח לבריאות הנפש, המכון לפסיכולוגיה, האקדמיה הסינית למדעים (KLMH2019K05), חדשנות מחקר פרויקטים של הסטודנט לתואר בצ (CYS19117), ואת תוכנית המחקר קרנות של חדשנות שיתופית מרכז הערכה לאיכות החינוך הבסיסי באוניברסיטת בייג רגיל (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, ו JCXQ-C-LA-1). ברצוני להודות לפרופ ‘ אופיר תובל על הצעותיכם בטיוטה המוקדמת של כתב היד.
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).
