Determinación de la ubicación de estimulación mediante un digitalizador 3D con estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición

Summary

Aquí se presenta un protocolo para lograr una mayor precisión en la determinación de la ubicación de estimulación combinando un digitalizador 3D con estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición.

Abstract

La abundancia de datos de neuroimagen y el rápido desarrollo del aprendizaje automático ha hecho posible investigar los patrones de activación cerebral. Sin embargo, la evidencia causal de activación del área cerebral que conduce a un comportamiento a menudo falta. La estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS), que puede alterar temporalmente la excitabilidad cortical cerebral y la actividad, es una herramienta neurofisiológica no invasiva utilizada para estudiar las relaciones causales en el cerebro humano. La estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición (HD-tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva (NIBS) que produce una corriente más focal en comparación con el tDCS convencional. Tradicionalmente, la ubicación de la estimulación se ha determinado aproximadamente a través del sistema 10-20 EEG, porque determinar los puntos de estimulación precisos puede ser difícil. Este protocolo utiliza un digitalizador 3D con HD-tDCS para aumentar la precisión en la determinación de puntos de estimulación. El método se demuestra utilizando un digitalizador 3D para una localización más precisa de los puntos de estimulación en la unión temporo-parietal derecha (rTPJ).

Introduction

La estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) es una técnica no invasiva que modula la excitabilidad cortical con corrientes directas débiles sobre el cuero cabelludo. Su objetivo es establecer la causalidad entre la excitabilidad neuronal y el comportamiento en humanos sanos^1,2,3. Además, como herramienta de neurorrehabilitación motora, tDCS es ampliamente utilizado en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, accidente cerebrovascular, y parálisis cerebral⁴. La evidencia existente sugiere que el tDCS tradicional basado en almohadillas produce flujo de corriente a través de una región cerebral relativamente más grande^5,6,7. Estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición (HD-tDCS), con el electrodo de anillo central sentado sobre una región cortical objetivo rodeada por cuatro electrodos de retorno^8,9, aumenta la focalidad mediante la circunscribiendo cuatro áreas de anillo^5,10. Además, los cambios en la excitabilidad del cerebro inducidos por HD-tDCS tienen magnitudes significativamente mayores y duraciones más largas que los generados por el tDCS^{7tradicional,11}. Por lo tanto, HD-tDCS es ampliamente utilizado en la investigación^7,11.

La estimulación cerebral no invasiva (NIBS) requiere métodos especializados para garantizar la existencia de un sitio de estimulación en los sistemas estándar MNI y Talairach¹². La neuronavegación es una técnica que permite mapear interacciones entre los estímulos transcraneales y el cerebro humano. Su visualización y datos de imagen 3D se utilizan para la estimulación precisa. Tanto en tDCS como en HD-tDCS, una evaluación común de los sitios de estimulación en el cuero cabelludo es típicamente el sistema EEG 10-20^13,14. Esta medición se utiliza ampliamente para colocar las almohadillas tDCS y los soportes de optode para espectroscopía infrarroja cercana funcional (fNIRS) en la etapa inicial^13,14,15.

Determinar los puntos de estimulación precisos cuando se utiliza el sistema 10-20 puede ser difícil (por ejemplo, en la unión temporo-parietal [TPJ]). La mejor manera de resolver esto es obtener imágenes estructurales de los participantes utilizando imágenes por resonancia magnética (RM), luego obtener la posición exacta de la sonda haciendo coincidir los puntos de destino con sus imágenes estructurales utilizando productos de digitalización¹⁵. La RMN proporciona una buena resolución espacial, pero es costosa de usar^15,16,17. Además, algunos participantes (por ejemplo, aquellos con implantes metálicos, personas claustrofóbicas, mujeres embarazadas, etc.) no pueden ser sometidos a escáneres de RMN. Por lo tanto, existe una fuerte necesidad de una manera conveniente y eficiente de superar las limitaciones antes mencionadas y aumentar la precisión en la determinación de los puntos de estimulación.

Este protocolo utiliza un digitalizador 3D para superar estas limitaciones. En comparación con la RMN, las principales ventajas de un digitalizador 3D son los bajos costos, la aplicación simple y la portabilidad. Combina cinco puntos de referencia (es decir, Cz, Fpz, Oz, punto preauricular izquierdo y punto preauricular derecho) de individuos con información de ubicación de los puntos de estimulación objetivo. A continuación, produce una posición 3D de electrodos en la cabeza del sujeto y estima sus posiciones corticales ajustando los vastos datos de la imagen estructural^12,15. Este método de registro probabilístico permite la presentación de datos de mapeo transcraneal en el sistema de coordenadas MNI sin registrar las imágenes de resonancia magnética de un sujeto. El enfoque genera etiquetas automáticas anatómicas y áreas de Brodmann^11.

El digitalizador 3D, utilizado para marcar coordenadas de espacio basadas en los datos de imágenes estructurales, se utilizó por primera vez para determinar la posición de los optodes en la investigación fNIRS¹⁸. Para aquellos que utilizan HD-tDCS, un digitalizador 3D rompe los puntos de estimulación finitos del sistema EEG 10-20. La distancia de los cuatro electrodos de retorno y el electrodo central es flexible y se puede ajustar según sea necesario. Cuando se utiliza el digitalizador 3D con este protocolo, se obtuvieron las coordenadas del rTPJ, que está más allá del sistema 10-20. También se muestran los procedimientos para atacar y estimular la unión temporo-parietal derecha (rTPJ) del cerebro humano.

Protocol

El protocolo cumple con las directrices de la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Southwest. 1. Determinación de la ubicación de estimulación Revise la literatura y confirme la ubicación de la estimulación (aquí, el rTPJ)19,20,21. 2. Preparación de la tapa de sujeción de electrodos NOTA: Lo…

Representative Results

Utilizando los métodos presentados, se determinaron las coordenadas del rTPJ, que requiere puntos de estimulación más allá del sistema 10-20. En primer lugar, la circunferencia de la forma de la cabeza debe ser similar a la cabeza real. Aquí, la longitud de la nasión a la inión de la forma de la cabeza era de 36 cm, y la longitud entre el preauricular bilateral era de 37 cm. Los pasos para producir la tapa del electrodo guían las posiciones de medición del sistema 10-20. Aquí, se det…

Discussion

En comparación con el tDCS tradicional, HD-tDCS aumenta la focalidad de la estimulación. Los sitios típicos de estimulación a menudo se basan en el sistema 10-20 EEG. Sin embargo, determinar los puntos de estimulación precisos más allá de este sistema puede ser difícil. Este documento combina un digitalizador 3D con HD-tDCS para determinar los puntos de estimulación más allá del sistema 10-20. Es importante definir claramente los pasos y precauciones para hacer y utilizar la tapa del electrodo en tales casos.<…

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