التحفيز تحديد الموقع باستخدام التحويل الرقمي 3D مع عاليه الوضوح جمجمة التحفيز الحالي المباشر
Summary
يقدم هنا بروتوكول لتحقيق دقه اعلي في تحديد موقع التحفيز الجمع بين التحويل الرقمي 3D مع عاليه الوضوح جمجمة التحفيز الحالي المباشر.
Abstract
وفره من البيانات التصوير العصبي والتطور السريع للتعلم اله جعل من الممكن التحقيق في أنماط تنشيط الدماغ. ومع ذلك ، غالبا ما تترك الادله السببية لتنشيط منطقه الدماغ المؤدية إلى السلوك في عداد المفقودين. جمجمة التحفيز المباشر الحالي (tDCS) ، والتي يمكن ان تغير مؤقتا استثاره الدماغ القشرية والنشاط ، هو أداه عصبيه غير تدخليه تستخدم لدراسة العلاقات السببية في الدماغ البشري. عاليه الوضوح جمجمة التحفيز الحالي المباشر (HD-tDCS) هو تقنيه تحفيز الدماغ غير الغازية (NIBS) التي تنتج التيار أكثر البؤري مقارنه tDCS التقليدية. تقليديا ، تم تحديد موقع التحفيز تقريبا من خلال نظام تخطيط الدماغ 10-20 ، لان تحديد نقاط التحفيز الدقيقة يمكن ان يكون صعبا. يستخدم هذا البروتوكول التحويل الرقمي ثلاثي الابعاد مع HD-tDCS لزيادة الدقة في تحديد نقاط التحفيز. ويتجلى هذا الأسلوب باستخدام التحويل الرقمي ثلاثي الابعاد لتوطين أكثر دقه لنقاط التحفيز في التقاطع الأيمن الجداري (rTPJ).
Introduction
جمجمة التحفيز المباشر الحالي (tDCS) هو تقنيه غير الغازية التي ينظم استثاره القشرية مع التيارات المباشرة الضعيفة علي فروه الراس. هو يهدف ان يؤسس علاقة سببيه بين عصبيه استثاره وتصرف في يصح أناس1,2,3. الاضافه إلى ذلك ، كاداه لأعاده التاهيل الحركي ، يتم استخدام tDCS علي نطاق واسع في علاج مرض باركنسون ، والسكتة الدماغية ، والشلل المخي4. الادله الموجودة تشير إلى ان tdcs التقليدية القائمة علي وساده تنتج التدفق الحالي من خلال منطقه الدماغ أكبر نسبيا5,6,7. عاليه الوضوح جمجمة التحفيز الحالي المباشر (هد-tdcs) ، مع مركز القطب الكهربائي يجلس علي المنطقة القشرية المستهدفة محاطه بأربعه أقطاب العودة8،9، يزيد من الفوميه من خلال تحديد أربعه المناطق الدائري5،10. الاضافه إلى ذلك ، فان التغيرات في استثاره الدماغ التي يسببها HD-tDCS لها مقادير أكبر بكثير ومدد أطول من تلك التي ولدتها tDCS التقليدية7،11. ولذلك ، ويستخدم علي نطاق واسع HD-tDCS في البحوث7،11.
يتطلب تحفيز الدماغ غير التدخلي (NIBS) أساليب متخصصة لضمان وجود موقع تحفيز في أنظمه MNI و Talairach القياسية12. الملاحة العصبية هي التقنية التي تسمح لرسم الخرائط التفاعلات بين المحفزات جمجمة والدماغ البشري. يتم استخدام المرئيات وبيانات الصور ثلاثية الابعاد للتحفيز الدقيق. في كل من tdcs و HD-tdcs ، فان التقييم المشترك لمواقع التحفيز علي فروه الراس هو عاده نظام تخطيط الدماغ 10-2013،14. ويستخدم هذا القياس علي نطاق واسع لوضع منصات tdcs وأصحاب أوبتودي للعمل بالقرب من الاشعه تحت الحمراء الطيفية (فيرس) في المرحلة الاوليه13،14،15.
تحديد نقاط التحفيز الدقيقة عند استخدام نظام 10-20 يمكن ان يكون صعبا (علي سبيل المثال ، في تقاطع temporo-باريميتال [TPJ]). أفضل طريقه لحل هذا هو الحصول علي الصور الهيكلية من المشاركين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، ثم الحصول علي موقف التحقيق الدقيق عن طريق مطابقه النقاط المستهدفة لصورهم الهيكلية باستخدام المنتجات رقم الرقمي15. التصوير بالرنين المغناطيسي يوفر دقه المكانية جيده ولكنها مكلفه لاستخدام15،16،17. وعلاوة علي ذلك ، لا يمكن إخضاع بعض المشاركين (مثل الأشخاص الذين يزرعون المعادن ، والخانق ، والنساء الحوامل ، وما إلى ذلك) لماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي. ولذلك ، هناك حاجه ماسه لطريقه مريحه وفعاله للتغلب علي القيود المذكورة أعلاه وزيادة الدقة في تحديد نقاط التحفيز.
يستخدم هذا البروتوكول التحويل الرقمي ثلاثي الابعاد للتغلب علي هذه القيود. بالمقارنة مع التصوير بالرنين المغناطيسي ، والمزايا الرئيسية من التحويل الرقمي 3D هي تكاليف منخفضه ، وتطبيق بسيط ، وقابليه. وهو يجمع بين خمس نقاط مرجعيه (اي تشيكوسلوفاكيا ، Fpz ، Oz ، النقطة اليسرى فوق الترقوة ، والنقطة اليمني التي تسبق الترقوة) للافراد الذين لديهم معلومات عن موقع نقاط التحفيز المستهدفة. ثم ، فانه ينتج موقف 3d من الأقطاب الكهربائية علي راس الموضوع ويقدر مواقعها القشرية من خلال تركيب مع البيانات الضخمة من الصورة الهيكلية12،15. تتيح طريقه التسجيل الاحتمالية هذه عرض بيانات تعيين الجمجمة في نظام إحداثيات MNI دون تسجيل صور الرنين المغناطيسي للموضوع. النهج يولد التسميات التلقائي التشريحية والمناطق برودمان11.
وقد استخدم المحول الرقمي ثلاثي الابعاد ، المستخدم لوضع علامة علي إحداثيات الفضاء استنادا إلى البيانات المستمدة من الصور الهيكلية ، لأول مره لتحديد موقف الأوبتوديس في بحوث الشركة18. بالنسبة لأولئك الذين يستخدمون HD-tDCS ، فان المحول الرقمي ثلاثي الابعاد يكسر نقاط التحفيز المحدودة لنظام تخطيط الدماغ 10-20. المسافة من الأقطاب الكهربائية العودة الاربعه ومركز القطب مرنه ويمكن تعديلها حسب الحاجة. عند استخدام التحويل الرقمي 3D مع هذا البروتوكول ، تم الحصول علي إحداثيات rTPJ ، والذي هو ابعد من نظام 10-20. كما تظهر الإجراءات الخاصة باستهداف وتحفيز مفترق الطرق الأيمن الجداري (rTPJ) من الدماغ البشري.
Protocol
Representative Results
Discussion
بالمقارنة مع tDCS التقليدية ، HD-tDCS يزيد من focality التحفيز. وغالبا ما تستند المواقع النموذجية للتحفيز علي نظام تخطيط الدماغ 10-20. ومع ذلك ، يمكن ان يكون تحديد نقاط التحفيز الدقيقة خارج هذا النظام صعبا. هذه الورقة يجمع بين التحويل الرقمي 3D مع HD-tDCS لتحديد نقاط التحفيز خارج نظام 10-20. من المهم ان تحدد ب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعمت هذه الدراسة المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31972906) ، وبرنامج ريادة الاعمال والابتكار للعلماء العائدين إلى تشونغتشينغ في الخارج (cx2017049) ، وصناديق البحوث الاساسيه للجامعات المركزية (SWU1809003) ، مفتوحة صندوق بحوث المختبر الرئيسي للصحة العقلية ، معهد علم النفس ، الاكاديميه الصينية للعلوم (KLMH2019K05) ، مشاريع الابتكار البحثي لطالب الدراسات العليا في تشونغتشينغ (CYS19117) ، وأموال برنامج البحوث للابتكار التعاوني مركز التقييم نحو جوده التعليم الأساسي في جامعه بكين العادية (2016-06-014-BZK01 ، SCSM-2016A2-15003 ، والشركة الاردنيه للتعليم-C-LA-1). ونود ان نشكر البروفيسور اوفير توريل علي اقتراحاته بشان المسودة الاولي لهذه المخطوطة.
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).
