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Determinação de localização de estimulação usando um digitalizador 3D com estimulação transcraniana de alta definição da corrente direta

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DOI:

10.3791/60263

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20 de dezembro de 2019

 ,  , 
1Faculty of Psychology, Southwest University, 2Key Laboratory of Cognition and Personality, Ministry of Education, Southwest University, 3Southwest University Branch, Collaborative Innovation Center of Assessment toward Basic Education Quality, Beijing Normal University, 4Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, 5Chongqing Collaborative Innovation Center for Brain Science

Autores correspondentes: Qinghua He <heqinghua@swu.edu.cn>

Neste artigo

Resumo

Apresentado aqui é um protocolo para alcançar maior precisão na determinação da localização da estimulação, combinando um digitalizador 3D com estimulação transcraniana de alta definição da corrente direta.

Resumo

A abundância de dados de neuroimagem e o rápido desenvolvimento do aprendizado de máquina tornaram possível investigar os padrões de ativação cerebral. No entanto, evidências causais de ativação da área cerebral levando a um comportamento é muitas vezes deixado falta. Estimulação transcraniana de corrente direta (tDCS), que pode alterar temporariamente a excitabilidade e atividade corticais cerebrais, é uma ferramenta neurofisiológica não invasiva usada para estudar relações causais no cérebro humano. Estimulação de corrente direta transcraniana de alta definição (HD-tDCS) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva (NIBS) que produz uma corrente mais focal em comparação com o tDCS convencional. Tradicionalmente, a localização da estimulação tem sido aproximadamente determinada através do sistema 10-20 EEG, porque determinar pontos precisos de estimulação pode ser difícil. Este protocolo usa um digitalizador 3D com HD-tDCS para aumentar a precisão na determinação dos pontos de estimulação. O método é demonstrado usando um digitalizador 3D para localização mais precisa de pontos de estimulação na junção temporo-parietal direita (rTPJ).

Introdução

A estimulação transcraniana de corrente direta (tDCS) é uma técnica não invasiva que modula a excitabilidade cortical com correntes diretas fracas sobre o couro cabeludo. Tem como objetivo estabelecer a causalidade entre excitabilidade neural e comportamento em seres humanos saudáveis1,2,3. Além disso, como uma ferramenta de neuroreabilitação motora, tDCS é amplamente utilizado no tratamento da doença de Parkinson, acidente vascular cerebral e paralisia cerebral4. Evidências existentes sugerem que o tDCS tradicional baseado em almofadas produz fluxo atual através de uma região cerebral relativamente maior5,6,7. Estimulação de alta definição transcraniana de corrente direta (HD-tDCS), com o eletrodo de anel central sentado sobre uma região corticana alvo cercada por quatro eletrodos de retorno8,9,aumenta a focalidade circunscrevendo quatro áreas de anel5,10. Além disso, as mudanças na excitabilidade do cérebro induzida sh-tDCS têm magnitudes significativamente maiores e durações mais longas do que as geradas pelo tDCS tradicional7,11. Portanto, o HD-tDCS é amplamente utilizado na pesquisa7,11.

Estimulação cerebral não invasiva (NIBS) requer métodos especializados para garantir que um local de estimulação está presente nos sistemas padrão MNI e Talairach12. A neuronavegação é uma técnica que permite mapear interações entre estímulos transcranianos e o cérebro humano. Seus dados de visualização e imagem 3D são usados para estimulação precisa. Tanto no tDCS como no HD-tDCS, uma avaliação comum dos locais de estimulação no couro cabeludo é tipicamente o sistema EEG 10-2013,14. Esta medida é amplamente utilizada para colocar as almofadas tDCS e portadores de optodes para espectroscopia infravermelha funcional (fNIRS) na fase inicial13,14,15.

Determinar os pontos precisos de estimulação ao usar o sistema 10-20 pode ser difícil (por exemplo, na junção temporo-parietal [TPJ]). A melhor maneira de resolver isso é obter imagens estruturais dos participantes usando ressonância magnética (RM), em seguida, obter a posição exata da sonda, combinando pontos-alvo para suas imagens estruturais usando produtos digitalizantes15. MRI fornece boa resolução espacial, mas é caro para usar15,16,17. Além disso, algumas participantes (por exemplo, aquelas com implantes metálicos, claustrofóbicos, gestantes, etc.) não podem ser submetidas a scanners de ressonância magnética. Portanto, há uma forte necessidade de uma maneira conveniente e eficiente de superar as limitações acima mencionadas e aumentar a precisão na determinação de pontos de estimulação.

Este protocolo utiliza um digitalizador 3D para superar essas limitações. Em comparação com a ressonância magnética, as principais vantagens de um digitalizador 3D são baixos custos, aplicação simples e portabilidade. Ele combina cinco pontos de referência (ou seja, Cz, Fpz, Oz, ponto pré-auricular esquerdo e ponto pré-auricular direito) de indivíduos com informações de localização dos pontos de estimulação alvo. Em seguida, ele produz uma posição 3D de eletrodos na cabeça do sujeito e estima suas posições corticais, ajustando-se com os vastos dados da imagem estrutural12,15. Esse método de registro probabilístico permite a apresentação de dados de mapeamento transcraniano no sistema de coordenação do MNI sem registrar as imagens de ressonância magnética de um sujeito. A abordagem gera rótulos automáticos anatômicos e áreas de Brodmann11.

O digitalizador 3D, usado para marcar coordenadas espaciais com base nos dados de imagens estruturais, foi usado pela primeira vez para determinar a posição dos optodes na pesquisa fNIRS18. Para aqueles que usam HD-tDCS, um digitalizador 3D quebra os pontos de estimulação finito do sistema EEG 10-20. A distância dos quatro eletrodos de retorno e eletrodo central é flexível e pode ser ajustada conforme necessário. Ao utilizar o digitalizador 3D com este protocolo, foram obtidas as coordenadas do rTPJ, o que está além do sistema 10-20. Também são mostrados os procedimentos para segmentação e estímulo à junção temporo-parietal direita (rTPJ) do cérebro humano.

Protocolo

O protocolo atende às diretrizes do Conselho de Revisão Institucional da Southwest University.

1. Determinação da localização da estimulação

  1. Reveja a literatura e confirme o local de estimulação (aqui, o rTPJ)19,20,21.

2. Preparação do eletrodo segurando cap

NOTA:As seguintes etapas são mostradas na Figura 1.

  1. Certifique-se de que todos os materiais necessários estão prontamente disponíveis: o digitalizador 3D (Figura 2),fita de medição padrão, uma caneta de marcação, a forma de cabeça e uma tampa de natação.
  2. Coloque a tampa no formulário de cabeça e marcar os pontos na tampa.
    1. Localizar o Vértice (Cz). Para fazer isso, primeiro marque o ponto médio da distância entre a nasion e a inion usando um marcador de pele13,14,22. Em seguida, medir a distância entre os pontos pré-auriculares e marcar o ponto médio. O ponto em que ambos os pontos se cruzam é o Cz.
    2. Verifique a localização do eletrodo central e os eletrodos de retorno. Aqui, a estimulação foi aplicada no rTPJ. O rTPJ corresponde aproximadamente ao ponto médio entre CP6 e P6 no sistema 10-10 EEG19,20,21.
    3. Encontre CP6 e P622,23,24,25. De acordo com os requisitos proporcionais do sistema 10-10, localizar a localização aproximada do rTPJ no couro cabeludo e marcá-lo na tampa.
    4. Ajuste o raio dos quatro eletrodos de retorno com base nos objetivos11,14,26. Após esta decisão, marque o eletrodo central e devolva locais de eletrodo na tampa.

3. Medição do Digitalizador 3D

  1. Digitalizar com o scanner de metal para garantir que o ambiente para digitalizador 3D é livre de metal.
  2. Colocação do tampão na cabeça do assunto
    1. Certifique-se de que as referências (Cz, Fpz, Oz, ponto pré-auricular esquerdo, e ponto pré-auricular direito) na tampa alinhar com o sistema internacional 10-10 para a localização do couro cabeludo22. Por exemplo, localizar o Vértice (Cz) no couro cabeludo e colocar a tampa na cabeça do sujeito, alinhando cz da tampa para os assuntos.
  3. Organizar o equipamento de digitalizador 3D
    1. Conecte o digitalizador 3D ao computador usando a interface Universal Serial Bus (USB) e certifique-se de que o software de digitalizador está disponível e pronto27.
    2. Coloque a fonte na frente do assunto e aperte a corda elástica do sensor ao redor da cabeça. Importante, certifique-se de que nem a fonte nem o sensor se movem durante a medição do digitalizador 3D.
      NOTA:A fonte é um transmissor magnético que emite um campo de dipolo eletromagnético. O sensor é um receptor que detecta o campo.
    3. Abra o software de digitalizador no computador e certifique-se de que o sistema de digitalizador 3D se comunica com o software.
    4. Teste a precisão da caneta. Encontre um comprimento de 10 cm na régua e registre a graduação zero e a graduação dez, respectivamente, usando o stylus.
      NOTA:A distância de medição entre os dois pontos de gravação do digitalizador 3D deve ser capturada. Compare o erro com a leitura do rastreador 3D.
    5. Selecione o novo ícone e crie um novo arquivo de assunto. Selecione a caixa de sessões, em seguida, referência.
      NOTA:Usando a caneta digitalizador 3D, os dados de posição de referência (Cz, inion, nasion, orelha esquerda, orelha direita) do assunto são coletados de acordo com as solicitações de software.
    6. Para atender à exigência de experimentos fNIRS, use as opções transmissor, detector e canal. Colete os dados de posição do eletrodo central e quatro eletrodos de retorno 3x para o transmissor, detector e canal, a fim de reduzir o erro. Certifique-se de que cinco eletrodos estão numerados e localizar, por sua vez.
    7. Salve os três arquivos que são gerados.

4. Conversão de dados e registro espacial

  1. Selecione os três arquivos para o NIRS-SPM para alcançar o registro de coordenadas reais no espaço MNI28. A Affine transforma os pontos de referência e cinco pontos de eletrodo nos participantes para os pontos correspondentes em cada entrada de acordo com o banco de dados de ressonância magnética no espaço MNI.
  2. Registre os dados em rótulos automáticos anatômicos e áreas de Brodmann e registre as informações espaciais dos cinco pontos de eletrodo para ambos.
  3. Compare as coordenadas de estimulação em pesquisas anteriores com as coordenadas obtidas20,29.
  4. Faça um pequeno corte alinhado com os cinco pontos marcados na tampa, de modo que o invólucro de plástico é incorporado confortavelmente na tampa.

5. Estimulação

  1. Certifique-se de que o participante não tenha contra-indicações (ou seja, história de distúrbios neurológicos ou psiquiátricos) para HD-tDCS1,3 e que eles forneceram consentimento informado por escrito antes do estudo (incluindo estimulação HD-tDCS).
  2. Para a instalação do dispositivo, certifique-se de que todos os materiais necessários estão disponíveis(Figura 3). Instale o dispositivo conforme detalhado na literatura publicada14. Uma breve descrição é fornecida abaixo.
    1. Instale as baterias e verifique se elas são carregadas.
    2. Conecte o adaptador de estimulação tDCS convencional e 4x1.
    3. Conecte os cabos de cinco eletrodos de anel sinterizados Ag/AgCI aos receptores correspondentes no cabo de saída do adaptador 4x1.
    4. Verifique se todos os materiais estão conectados corretamente.
  3. Medir a cabeça do participante e colocar a tampa na cabeça.
    1. Incorporar os cinco invólucros de plástico HD na tampa de natação.
    2. Localizar o Cz, Fpz, e Oz do assunto13,14. Ajuste a referência na tampa para alinhar com o sistema internacional 10-10 para localizações couro cabeludo22. Uma vez que o limite está em posição, certifique-se de que ele não se move.
    3. Colete os dados de posição das áreas cerebrais estimuladas usando o digitalizador 3D. Faça os ajustes correspondentes de acordo com os dados gerados.
  4. Cubra a superfície do couro cabeludo com gel condutor eletricamente. Primeiro, separe cuidadosamente o cabelo através da abertura do invólucro de plástico usando a extremidade de uma seringa de plástico, até que o couro cabeludo seja exposto. Em seguida, cubra o couro cabeludo exposto com o gel eletricamente condutor através da abertura de revestimento plástico na superfície do couro cabeludo.
  5. Defina os parâmetros do dispositivo tDCS: valor de qualidade, duração do estímulo, intensidade e configuração de condição.
    1. Ligue o adaptador de estimulação multicanal 4x1.
    2. Certifique-se de que a configuração padrão é SCAN, que mostra a impedância de um eletrodo de cada vez na janela de exibição, digitalizando os eletrodos14,30,31. Aqui, a impedância é descrita como "valor de qualidade". Valores abaixo de 1,5 indicam qualidade suficiente14,30,31. Neste caso, os valores foram inferiores a 1.
      NOTA:Se o valor da impedância exceder esses limites exigidos, abra a tampa do invólucro de plástico com alta impedância e ajuste o cabelo e o eletrodo para obter o valor desejado da impedância.
    3. Pressione o botão "MODE SELECT" e mude de"SCAN"para"PASS",depois que os valores de impedância são aceitáveis.
    4. Selecione o ânodo central ou o meio-cátodo pressionando o botão"POLARITY". "CENTRAL ANODE"é a configuração padrão.
    5. Ajuste as configurações no dispositivo tDCS convencional para incluir duração de estímulo (min), intensidade (mA) e configuração de condição falsa. Neste caso, a estimulação ativa anodal era 1.5 mA, e o estímulo durou 20 min. Em seguida, empurre a alavanca"RELAX"para mudar para a corrente completa.
    6. Uma vez que tudo está definido, iniciar a estimulação. Pressione o botão"START",e a intensidade dc vai ramp up até que a corrente de alvo é atingido. O temporário mostrará então o tempo restante.
      NOTA:Alguns participantes podem se sentir desconfortáveis durante períodos de aumento da intensidade dc. Em tais casos, a corrente pode ser moderadamente diminuída ligeiramente por alguns segundos, puxando para baixo o "RELAX" alavanca. Em seguida, empurre a barra de dolly para a corrente completa, gradualmente, quando os participantes se sentem confortáveis novamente.

6. Pós-estimulação

  1. Quando a estimulação terminar, vire a alavanca lentamente para ajustar a corrente a zero antes de desligar a energia. Caso contrário, os participantes podem perceber sensação pungente ou tontura ao desligar o poder diretamente.
  2. Após a estimulação, abra a tampa de plástico e retire os eletrodos de anel sinterizados Ag/AgCI do invólucro.
  3. Retire a tampa de natação e limpe os materiais. Fornecer aos participantes ferramentas para limpar o cabelo.
  4. Peça aos participantes que preencham um questionário após cada sessão de estimulação, se necessário (por exemplo, para medir os efeitos adversos do rastreamento após o HD-tDCS, a tolerância dos participantes à estimulação cerebral, etc.; consulte Arquivo Suplementar).

Resultados

Utilizando os métodos apresentados, foram determinadas as coordenadas do rTPJ, o que requer pontos de estimulação além do sistema 10-20. Primeiramente, a circunferência do headform deve ser similar à cabeça real. Aqui, o comprimento da nasion à inionação do headform era ~36 cm, e o comprimento entre o preauricular bilateral era ~37 cm.

As etapas para a produção da tampa de eletrodo guiam as posições de medição do sistema 10-20. Aqui, Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6 e CP6 foram determinados. A localização aproximada do RTPJ (sobre o ponto médio entre CP6 e P6) foi encontrada no couro cabeludo. A distância entre os eletrodos central e periférico deve ser ajustada com base em objetivos experimentais. Pesquisas anteriores obtiveram valores de raio que variam de 3,5 a 7,5 cm11,14,30. Com valores diferentes do raio, a intensidade da C.C. e a duração da estimulação podem gerar forças elétricas diferentes do campo. Neste protocolo, a distância entre todos os eletrodos de retorno e o eletrodo ativo central foi fixada em 3,5 cm.

Vários pontos de referência importantes na tampa de natação foram mantidos, incluindo Fpz, Cz, Oz, T8 e C4. O Vértice no couro cabeludo foi localizado antes da estimulação, e é fundamental que o ponto Cz na tampa se alinha exatamente com o Vértice. Uma vez que o limite está em posição, o limite não deve se mover. Um arquivo .mat e dois arquivos .csv após a digitalização foram obtidos (ou seja, sub01_origin.csv, que incluiu as informações de coordenação da referência [com o assunto número 01]), enquanto sub01_others.csv incluiu as informações de coordenação dos cinco visados pontos [com o assunto número 01)].

Três arquivos .txt foram obtidos após a conversão de dados e registro espacial. No software digitizer, há opções de transmissor, detector (receptor) e canal para atender aos requisitos dos experimentos fNIRS. Os dados de coordenação do transmissor, detector ou canal devem ser os mesmos. No entanto, pequenos erros operacionais podem ocorrer, devido a habilidades de pessoal de laboratório, gesto de retenção de caneta, etc.

Usando a função de registro autônomo NIRS-SPM, a função de registro espacial gera coordenadas mni. Os números na primeira linha na Tabela 1 representam a ordem no digitalizador. Neste protocolo, os dados do número cinco são as informações de posição sobre o eletrodo central. Nas áreas de Brodmann (BA), o rótulo anatômico e seu número foram obtidos. O número após cada linha indica a porcentagem de sobreposição. Nos rótulos automáticos anatômicos (AAL), o rótulo anatômico e a porcentagem de sobreposição foram obtidos. Para reduzir os erros de medição, o valor médio de três pontos de dados das coordenadas finais do MNI dos cinco eletrodos foi calculado. Quanto à AAL e BA, o valor representa uma porcentagem de sobreposição com o córtex cerebral. Todas as possibilidades foram combinadas em dados finais(Tabela 1).

De acordo com os dados das coordenadas mni, AAL e BA, se a diferença entre o valor e o valor-alvo for muito grande, a tampa de natação deve ser ajustada à posição relativa dos valores reais de X, Y, Z e o valor-alvo, conforme explicado nas seções 2-411,14,30,31.

figure-results-1
Figura 1: Etapas para criar o tampão de elétrodo de terra arrendada. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

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Figura 2: digitalizador 3D. O digitalizador 3D é uma solução econômica para digitalização 3D. É um rastreador de movimento de sensor duplo. A fonte é um transmissor magnético que emite um campo eletromagnético dipolo. O sensor é um receptor que detecta o campo. A caneta permite a identificação precisa dos pontos de dados X, Y e Z. A caixa de controle se conecta ao computador e transfere dados. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

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Figura 3: Materiais necessários para estimulação. Estes materiais incluem um dispositivo tDCS, adaptador de estimulação multicanal 4x1, quatro baterias 9 V, cinco eletrodos de anel de sódio Ag/AgCI, cinco cápsulas de plástico HD e suas respectivas tampas, gel condutor eletricamente, uma seringa, uma medida de fita padrão e uma touca de natação. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Tabela 1: Localização de estímulos na área do cérebro. Clique aqui para ver esta tabela (Clique certo para baixar).

Arquivo suplementar. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar).

Discussão

Em comparação com o tDCS tradicional, o HD-tDCS aumenta a especificidade da estimulação. Locais típicos de estimulação são muitas vezes baseados no sistema 10-20 EEG. No entanto, determinar os pontos precisos de estimulação além deste sistema pode ser difícil. Este artigo combina um digitalizador 3D com HD-tDCS para determinar pontos de estimulação além do sistema 10-20. É importante definir claramente as etapas e precauções para fazer e usar a tampa do elétrodo em tais casos.

Em geral, a posição das áreas de estimulação alvo é derivada dos resultados de estudos anteriores de imagem cerebral, e a posição das áreas de estimulação no sistema internacional 10-20 ou coordenadas MNI pode ser obtida. As etapas para a criação do guia de tampa de eletrodo para a medição de posições do sistema 10-20 são críticas. É fundamental que a referência na tampa se alinha com o sistema internacional 10-20 para locais do couro cabeludo ao colocar a tampa na cabeça. Uma vez que o digitalizador 3D começa a correr, a fonte e o sensor não devem se mover, ou causará desvio de dados.

No software, os pontos de referência estão no couro cabeludo e não na tampa, a menos que todos os pontos de referência do couro cabeludo e tampa estejam combinando. Se o erro entre os resultados medidos e os valores-alvo estiver fora do intervalo aceitável, a posição dos pontos marcados deverá ser ligeiramente ajustada. Após o ajuste, as medidas devem então ser feitas novamente. Uma vez que os usuários pressionam o botão "MODE SELECT" e alternam de "SCAN" para "PASS", a corrente começará a passar do dispositivo tDCS convencional através dos eletrodos para o Adaptador de Estimulação Multicanal 4x1.

A tampa modular da gravação do electroencefalograma fornece posições fixas das pontas de prova. No entanto, determinar os pontos precisos de estimulação além deste sistema pode ser difícil. As posições dos eletrodos além do sistema 10-20 podem ser determinadas usando o protocolo descrito, bem como as coordenadas dos pontos de estimulação. A configuração de raio deve ser baseada nos objetivos experimentais. Usando o método descrito aqui, o raio dos quatro eletrodos de retorno e eletrodo central pode ser ajustado de forma flexível.

Existem muitos pacotes de software digitalizador (por exemplo, o software Brainstorm para uma tarefa fNIRS; aqui, o software Vpen foi usado)15. Diferentes pacotes de software de coleta de dados enfatizam diferentes funções e devem ser selecionados de acordo com a questão da pesquisa. A circunferência da cabeça varia entre os indivíduos; assim, usar a mesma tampa pode produzir erros. No entanto, a tampa de gravação de eletroencefalograma modular também sofre deste problema.

Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este estudo foi apoiado pela National Natural Science Foundation of China (31972906), Programa de Empreendedorismo e Inovação para Chongqing Overseas Returned Scholars (cx2017049), Fundos de Pesquisa Fundamentais para Universidades Centrais (SWU1809003), Aberto Fundo de Pesquisa do Laboratório-Chave de Saúde Mental, Instituto de Psicologia, Academia Chinesa de Ciências (KLMH2019K05), Projetos de Inovação em Pesquisa de Estudante de Pós-Graduação em Chongqing (CYS19117) e os Fundos do Programa de Pesquisa da Inovação Colaborativa Centro de Avaliação para a Qualidade da Educação Básica na Universidade Normal de Pequim (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003 e JCXQ-C-LA-1). Gostaríamos de agradecer ao Prof. Ofir Turel por suas sugestões sobre o rascunho inicial deste manuscrito.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
1X1 Estimulador DC Transcraniano de Baixa IntensidadeSoterix Medical1300A
Digitador Polimero-Patriota TridimensionalPOLHEMUS1A0453-001Componente do sistema PATRIOT
Interface de Estimulação Multicanal 4X1Soterix Medical4X1-C3
Computador desktop DellCRFC4J2para executar o aplicativo digitalizador 3D

Referências

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