Stimulering placering bestemmelse ved hjælp af en 3D digitizer med high-definition Transcranial direkte strøm stimulering
Summary
Præsenteret her er en protokol for at opnå større nøjagtighed i bestemmelsen af stimulation placering kombinerer en 3D digitaliseringsenhed med high-definition transcranial direkte strøm stimulering.
Abstract
Den overflod af Neuro imaging data og hurtig udvikling af maskinel indlæring har gjort det muligt at undersøge hjernen aktivering mønstre. Men, kausale beviser for hjernen område aktivering fører til en adfærd er ofte tilbage mangler. Transcranial jævnstrøm stimulation (tDCS), som midlertidigt kan ændre hjernens kortikale ophidelighed og aktivitet, er et ikke-invasivt neurofysiologisk værktøj, der anvendes til at studere kausale relationer i den menneskelige hjerne. High-definition transcranial jævnstrøm stimulation (HD-tDCS) er en ikke-invasiv hjerne stimulation (NIBS) teknik, der producerer en mere brændstrøm sammenlignet med konventionelle tDCS. Traditionelt har stimulerings stedet været groft bestemt gennem 10-20 EEG-systemet, fordi det kan være svært at bestemme præcise stimulerings punkter. Denne protokol bruger en 3D digitaliseringsenhed med HD-tDCS til at øge nøjagtigheden ved bestemmelse af stimulations punkter. Metoden er demonstreret ved hjælp af en 3D digitaliseringsenhed for mere nøjagtig lokalisering af stimulerings punkter i det rigtige temporo-parietal Junction (rTPJ).
Introduction
Transcranial Direct Current stimulation (tDCS) er en ikke-invasiv teknik, der modulerer kortikale excitabilitet med svage direkte strømme overhoved bunden. Det har til formål at etablere kausalitet mellem neurale excitabilitet og adfærd hos raske mennesker1,2,3. Hertil kommer, som en motor patienter værktøj, TDCs er meget udbredt i behandlingen af Parkinsons sygdom, slagtilfælde, og cerebral parese4. Eksisterende data tyder på, at traditionelle pad-baserede TDCs producerer strøm gennem en relativt større hjerneregion5,6,7. High-definition transcranial jævnstrøm stimulation (HD-TDCs), med midterringen elektrode sidder over et mål kortikale region omgivet af fire afkast elektroder8,9, øger focality ved at omringe fire ring områder5,10. Desuden har ændringer i excitabilitet af hjernen induceret af HS-tDCS betydeligt større størrelser og længere varighed end dem, der genereres af traditionelle tDCS7,11. Derfor, HD-tDCS er meget udbredt i forskning7,11.
Ikke-invasiv hjerne stimulation (NIBS) kræver specialiserede metoder for at sikre, at der findes et stimulerings sted i standard MNI-og Talairach-systemerne12. Neuronavigation er en teknik, der giver mulighed for kortlægning interaktioner mellem transcraniale stimuli og den menneskelige hjerne. Dens visualisering og 3D-billeddata bruges til præcis stimulation. I både TDCs og HD-TDCs er en fælles vurdering af stimulerings steder på hovedbunden typisk EEG 10-20 system13,14. Denne måling er meget udbredt til placering af TDCs Pads og optode holdere til funktionel nær infrarød spektroskopi (fnirs) i den indledende fase13,14,15.
Det kan være vanskeligt at bestemme de præcise stimulations punkter ved brug af 10-20-systemet (f. eks. i temporo-parietal-krydset [TPJ]). Den bedste måde at løse dette på er at få strukturelle billeder fra deltagere ved hjælp af magnetisk resonans imaging (MRI), derefter få den nøjagtige sonde position ved at matche målpunkter til deres strukturelle billeder ved hjælp af digitalisering af produkter15. MRI giver god rumlig opløsning, men er dyrt at bruge15,16,17. Desuden kan nogle deltagere (f. eks. personer med metalimplantater, klaustrofobiske mennesker, gravide kvinder osv.) ikke udsættes for MRI-scannere. Derfor er der et stærkt behov for en bekvem og effektiv måde at overvinde de ovennævnte begrænsninger og øge nøjagtigheden i fastsættelsen af stimulations punkter.
Denne protokol bruger en 3D digitaliseringsenhed til at overvinde disse begrænsninger. Sammenlignet med MRI er de vigtigste fordele ved en 3D-digitaliseringsenhed lave omkostninger, enkel anvendelse og bærbarhed. Det kombinerer fem referencepunkter (dvs., cz, FPZ, Oz, venstre preaukulært punkt, og højre preaukulære punkt) af personer med lokaliseringsoplysninger om målet stimulation punkter. Derefter, det producerer en 3D-position af elektroder på motivet hoved og anslår deres kortikale positioner ved at montere med de store data fra det strukturelle billede12,15. Denne probabilistiske registreringsmetode gør det muligt at fremlægge transcraniale kortlægnings data i MNI-koordinatsystemet uden at optage et motiv af magnetiske resonans billeder. Tilgangen genererer anatomiske automatiske etiketter og Brodmann-områder11.
3D digitaliserings programmet, der bruges til at markere rumkoordinater baseret på data fra strukturelle billeder, blev først brugt til at bestemme positionen af optodes i fNIRS Research18. For dem, der bruger HD-tDCS, bryder en 3D-digitaliseringsenhed de endelige stimulerings punkter i EEG 10-20-systemet. Afstanden mellem de fire retur elektroder og midterelektroden er fleksibel og kan justeres efter behov. Når du bruger 3D digitizer med denne protokol, koordinaterne for rTPJ blev opnået, som er uden for 10-20-systemet. Også vist er de procedurer for målretning og stimulere den rigtige temporo-parietal Junction (rTPJ) af den menneskelige hjerne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sammenlignet med traditionelle tDCS øger HD-tDCS focality af stimulation. Typiske steder for stimulation er ofte baseret på 10-20 EEG-systemet. Det kan dog være vanskeligt at bestemme de præcise stimulerings punkter ud over dette system. Dette papir kombinerer en 3D-digitaliseringsenhed med HD-tDCS for at bestemme stimulations punkter ud over 10-20-systemet. Det er vigtigt klart at definere trin og forholdsregler for at gøre og bruge elektrode hætten i sådanne tilfælde.
Generelt er pos…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af National Natural Science Foundation i Kina (31972906), iværksætteri og innovation program for Chongqing Overseas returnerede lærde (cx2017049), grundlæggende forskningsmidler til centrale universiteter (SWU1809003), Open Forskningsfond af det centrale laboratorium for mental sundhed, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences (KLMH2019K05), forskning innovation projekter af kandidatstuderende i Chongqing (CYS19117), og forskningsprogrammet midler af den kollaborative innovation Center for vurdering mod grundlæggende uddannelse kvalitet på Beijing Normal University (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, og JCXQ-C-LA-1). Vi vil gerne takke Prof. Ofir turel for hans forslag om det tidlige udkast til dette manuskript.
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).
