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方法文章

在功能磁共振成像期间施用的神经导航聚焦经颅直流电刺激

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DOI：

10.3791/67155

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2024年11月15日

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1Department of Neurology, University Medicine Greifswald, 2Department of Psychology, University Medicine Greifswald, 3Berlin School of Mind and Brain, Humboldt Universität zu Berlin, 4Neurocomputation and Neuroimaging Unit, Freie Universität Berlin, 5Wilhelm-Wundt-Institute for Psychology, Cognitive and Biological Psychology, Leipzig University, 6Lise Meitner Research Group Cognition and Plasticity, Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences, 7Lifespan Developmental Neuroscience, Faculty of Psychology, Technische Universität Dresden, 8Centre for Tactile Internet with Human-in-the-Loop, Technische Universität Dresden, 9Department of Psychology and Neurosciences, Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors, 10German Centre for Mental Health (DZPG), 11Clinic of Psychiatry and Psychotherapy, Protestant Hospital of Bethel Foundation, University Hospital OWL, Bielefeld University, 12Danish Research Centre for Magnetic Resonance, Centre for Functional and Diagnostic Imaging and Research, Copenhagen University Hospital Amager and Hvidovre, 13Department of Health Technology, Technical University of Denmark, 14Department of Neurology and Center for Translational Neuro- and Behavioral Sciences (C-TNBS), Essen University Hospital, 15Department of Psychology, University of Kent, 16Kent Medway Medical School, 17Institute of Biomedical Engineering and Informatics, Technische Universität Ilmenau, 18German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE Site Greifswald)

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案描述了在功能磁共振成像（fMRI）期间进行局灶性经颅直流电刺激（tDCS）时，采用神经导航电极定位的方法。

摘要

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，可调节人脑的兴奋性和可塑性。聚焦式tDCS方案采用特定的电极排列方式，以将电流限制在特定的脑区。然而，电极在头皮上的定位误差可能影响聚焦式tDCS的有效性，导致到达目标脑区的电流剂量显著减少。基于个体头部和脑部解剖结构（源自结构磁共振成像（MRI）数据）的神经导航引导电极放置，可能有助于提高定位准确性。

本方案描述了用于局灶性经颅直流电刺激（tDCS）设置的神经导航电极放置方法，适用于在功能磁共振成像（fMRI）期间同步进行。我们还量化了电极放置的准确性，并在同步tDCS-fMRI实验中研究了电极位移情况。关键步骤包括基于电流建模来优化电极位置，该建模需考虑个体的头部和脑部解剖结构；在头皮上实施神经导航引导的电极放置；以及在fMRI过程中施加经过优化的局灶性tDCS。

通过欧几里得范数（L2 范数）量化电极放置的区域精确度，以确定在同步进行的经颅直流电刺激-功能磁共振成像（tDCS-fMRI）研究中，实际电极位置相对于目标位置的偏差。通过比较fMRI扫描前后实际电极位置的变化，评估实验过程中电极可能发生的任何位移（漂移）。此外，我们直接比较了神经导航引导的tDCS电极放置准确性与基于头皮定位方法（10-20脑电图（EEG）系统）所达到的准确性。这些分析结果表明，与基于头皮的电极放置方法相比，神经导航具有更高的放置准确性，并且在20分钟的扫描期间内电极漂移可忽略不计。

引言

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，可在实验和临床环境中调节认知功能和生理脑功能1,2,3。单次tDCS干预可引起神经元兴奋性的短暂改变，其效应可持续数分钟至数小时4,5。所施加的电流不会诱发动作电位，而是通过标准刺激方案，暂时性地使神经元静息膜电位发生去极化或超极化偏移，从而在宏观层面导致神经元兴奋性增强或减弱4,5,6。此外，关于tDCS对突触可塑性的影响，动物和人类研究均表明，tDCS可诱导类似长时程增强和长时程抑制（LTP和LTD）的过程4,5。

在运动系统中，运动诱发电位（MEPs）的调制可直接评估经颅直流电刺激（tDCS）对局部皮层兴奋性的神经生理学效应7。然而，这种方法无法量化tDCS对由大规模功能性脑网络支持的高级认知功能所产生的神经效应8。通过将tDCS与现代功能性成像技术相结合，可以研究其对脑网络的影响9,10。其中，功能磁共振成像（fMRI）已成为最常用的方法，因其具备优异的空间分辨率和足够的时间分辨率，能够揭示tDCS如何影响刺激部位的局部脑活动以及大规模神经网络的神经机制11,12,13,14。

迄今为止，联合使用功能性磁共振成像（fMRI）与经颅直流电刺激（tDCS）的研究主要采用所谓的传统tDCS装置，该装置使用面积相对较大的橡胶电极，介于25至35 cm2之间（5 × 5 cm2 和 5 × 7 cm2），并将其插入浸有生理盐水的海绵袋中15,16。这种装置通过两个电极传递电流，通常分别放置于（a）tDCS的目标脑区和（b）非目标脑区或颅外区域（例如肩部）的返回电极。这会导致电流在全脑范围内广泛扩散，影响除目标区域以外的其他脑区，从而使得关于tDCS效应神经来源的因果推断和解释变得复杂17。

通过聚焦式经颅直流电刺激（focalized tDCS）可实现更精确的空间定位18。此类设置采用多个尺寸较小、彼此紧密排列的电极，或使用环形阴极围绕中心阳极放置，以限制电流流向目标区域18,19。电流流动的计算机模拟结果表明，与传统导联方式相比，聚焦式tDCS可使目标区域的电流流动具有更高的空间精度20。此外，行为学研究已证实，使用聚焦式设置可实现特定脑区和任务相关的行为调节19,21,22。然而，目前仅有少数研究在功能性磁共振成像（fMRI）过程中应用了聚焦式tDCS。这些研究已证实该方法的可行性，并提供了脑区特异性神经调节的初步证据19,23。

然而，由于局灶性经颅直流电刺激（focalized tDCS）的电流输送具有较高的区域精确性，其电极放置误差可能比传统导联方式对头皮电极位置误差更为敏感。例如，Seo 等人证明，在局灶性运动皮层刺激设置中，5 mm 的电极位置误差可使手部运动区（hand knob）的峰值胞体极化降低高达 87%24。此外，最近一项计算建模研究显示，与传统设置相比，局灶性刺激中电极偏离预定位置会导致目标区域的电流剂量显著减少，减少幅度为 26% 至 43%25。因此，研究得出结论：未来的研究应常规纳入适当的方法，以改善电极定位，并在功能磁共振成像（fMRI）前后验证电极位置的准确性5。

在本研究中，我们描述了一种用于新型与功能性磁共振成像（fMRI）兼容的局灶性 3×1 经颅直流电刺激（tDCS）装置（即三个独立的阴极围绕一个中心阳极呈环形排列）的神经导航电极定位方法。该方法目前正应用于由德国科学基金会资助的一个合作研究联盟（DFG 研究单位 5429，https://www.memoslap.de）。该联盟致力于研究局灶性 tDCS 对学习与记忆的行为和神经效应，以及在四个功能领域（即视觉空间、语言、运动和执行功能）中刺激反应的预测因素。研究参与者的结构 T1 加权和 T2 加权磁共振成像（MRI）数据在基线扫描期间获取。这些数据用于个体化的电流流模拟26，以确定电极在头皮上的位置，从而在每位参与者中最大化目标脑区的电流密度。作为示例，本方案将描述在一名参与者中，以右侧背外侧前额叶皮层（rDLPFC）为中心，通过神经导航技术精确定位个体化电极位置的操作流程。

代表性结果部分基于研究单元三个子项目在同步 tDCS-fMRI 前后获取的结构成像数据。这些研究分别针对右侧枕颞皮层（rOTC）、左侧颞顶皮层（lTPC）和右侧背外侧前额叶皮层（rDLPFC）。数据采集于格赖夫斯瓦尔德大学医学中心神经病学系。利用这些数据，我们旨在实现两个主要目标：（1）通过比较"预期"与实测的"实际"电极位置25，量化神经导航引导下电极放置的空间精度；（2）考察 fMRI 扫描过程中电极位移的程度（即电极漂移）。这些因素对于提高同步 tDCS-fMRI 研究中 tDCS 效应的准确性和可靠性至关重要27。此外，本研究还利用本课题组先前一项 tDCS-fMRI 研究的数据25，将神经导航引导的 tDCS 定位准确性与基于头皮标记的定位方法进行了比较。

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方案

本方案中所述的所有实验操作均已通过格赖夫斯瓦尔德大学医学伦理委员会的审查和批准。所有参与者在纳入研究前均签署了知情同意书，并同意其数据以匿名形式发表。

1. 禁忌症筛查与一般注意事项

  1. 在纳入研究之前，使用适当的问卷仔细筛查参与者是否存在磁共振成像（MRI）28 和经颅直流电刺激（tDCS）29 的禁忌证（例如：心脏起搏器、幽闭恐惧症、癫痫史、偏头痛、头皮皮肤疾病[如银屑病/湿疹]）。
  2. 向参与者说明研究目的及所有计划实施的步骤，并根据当地要求获取书面知情同意书。
  3. 遵循提高同步tDCS-fMRI实验报告质量与可重复性的一般流程，并按照ContES清单30的建议，检测电流和/或tDCS设备可能引起的成像伪影。
  4. 采用适当方法评估参与者和研究者的盲法效果31,32 以及tDCS可能产生的不良反应29。

2. 基线 MRI 扫描与个体化电流建模

  1. 完成安全检查（例如，移除受试者身上的金属 物品，如硬币、项链、穿孔饰品等）后，引导受试者进入扫描室，并让其舒适地平躺在磁共振成像（MRI）检查床上。安装头部线圈的上半部分，并根据制造商的说明将受试者送入MRI扫描仪的孔洞内。
    注：我们使用了一台配备64通道头/颈匀场线圈的3T扫描仪。
  2. 通过点击扫描仪界面的主菜单 | 检查 | 受试者注册来注册新受试者，并填写所需信息。进入程序选择界面，加载并选择预定的成像协议。点击受试者体位，选择头先进、仰卧位选项。在检查区域与侧别下拉菜单中选择脑部，然后点击检查进入检查菜单。
  3. 按照预设扫描协议的屏幕提示（例如调整视野等）采集T1加权和T2加权MRI序列。如有需要，通过扫描仪内置通信系统与受试者交流。
    注：个体化电流建模需要T1加权和T2加权图像。T1加权图像还用于神经导航，以确定电极在受试者头皮上的计划位置和优化位置。
  4. 使用 https://github.com/memoslap/Greifswald 上的脚本以及基线MRI扫描期间获取的结构成像数据，进行个体化电流建模（例如使用SimNIBS26）。按照Readme.md文件中的步骤，应用有限元方法及基于受试者T1加权和T2加权结构图像生成的个体化四面体头模型（http://simnibs.org）26,33,34，并利用CHARM工具35进行头部分割重建，以确定峰值电 场，从而确定经颅直流电刺激（tDCS）电极在右侧背外侧前额叶皮层（rDLPFC）上方放置的优化靶点位置。参见图1，了解本方案所用流程结果的示例。
    注：用于神经导航定位的头皮坐标的识别可采用其他方法，具体取决于研究特定的操作流程。

3. 神经导航

  1. 准备步骤
    1. 打开神经导航控制计算机和追踪系统。
    2. 组装步骤：组装神经导航所需的所有设备（图2；有关神经导航设置的概览，请参见补充图S1）。图2中的设备包括：(1) 受试者追踪器，(2) 螺丝刀，(3) 六角杆，(4) 护目镜，以及 (5) 定位指针。请按照以下说明完成组装。
      1. 使用螺丝刀松开受试者追踪器下方的螺丝。
      2. 将六角杆较长的一端插入安装在受试者追踪器上的螺母中，并拧紧螺丝。
      3. 松开护目镜左侧的螺丝（护目镜应处于正视前方的位置）。
      4. 将六角杆的另一端插入护目镜左侧的螺母中，并拧紧护目镜的螺丝。
        注：您可以选择将受试者追踪器安装在护目镜的左侧或右侧。该选择取决于目标区域相对于神经导航系统摄像头的位置（摄像头必须能够识别定位指针和受试者追踪器）以及受试者的体位。在本示例中，追踪器安装在左侧，以确保操作人员不会遮挡追踪器与摄像头之间的视线。
    3. 将步骤2.3中获取的受试者结构T1加权图像（例如，Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI) 格式文件）传输至神经导航系统的控制计算机。
    4. 打开神经导航软件，选择新建空白项目。
    5. 加载受试者的T1加权图像，并通过选择保存项目来保存项目。
    6. 要启动三维头部重建，请进入应用程序主窗口中的重建部分。点击新建… | 皮肤，将弹出另一个窗口。点击相应按钮进行皮肤重建。如果头部重建中出现失真，可调整皮肤/空气阈值。
      注：建议检查整个头部是否被正确重建。准确重建鼻部和耳部对于检测下一步中描述的解剖标志点至关重要。
    7. 在应用程序主窗口的标志点部分配置五个标志点：鼻根点、左右鼻孔、左右耳前点（LPA和RPA）（详见补充图S2）。
    8. 在目标部分配置rDLPFC的电极位置 ：输入阳极位置的x、y、z坐标（由步骤2.4中描述的个体化电流流模拟提供），点击添加新目标，并将电极位置命名为“阳极”。对三个回路电极重复此操作。
  2. 基于神经导航的电极位置定位
    1. 让受试者舒适地坐在椅子上，面朝追踪摄像头。请其佩戴装有受试者追踪器的护目镜。
    2. 指导受试者在整个神经导航过程中不要触碰护目镜。这对于精确注册标志点及验证电极位置至关重要。
    3. 进入会话选项卡，从左上角的新建下拉菜单中选择在线会话。选择Polaris选项卡，并通过将追踪器和指针移入摄像头视野来确认其可见性。当工具面板（应用程序窗口左侧）中对应的红色十字变为绿色对勾时，表示两个设备已被正确识别。
    4. 选择注册部分，以注册五个预定义的标志点。将指针垂直于受试者头部放置，传感器朝向摄像头，以定位相应标志点。然后踩下神经导航系统的脚踏开关以确认位置。确保每个标志点名称前均显示绿色对勾。
    5. 进入验证部分，通过将指针尖端置于已注册的标志点上，验证标志点的准确性，并检查两个距离指标：第一个指标显示十字线（虚拟指针尖端）与已注册标志点之间的距离，第二个指标显示十字线与重建皮肤表面之间的距离。
      ​注：当使用神经导航系统的默认参数时，若两个指标均低于5 mm，则表明精度足够，可通过验证步骤。这在许多实验情境下是可接受的。然而，由于本方案采用了优化的聚焦设置，只有当电极位置与目标坐标的偏差小于1 mm时，才视为通过验证（见图3）。
    6. 将指针在受试者头皮上方移动，观察神经导航显示器上重建头皮的十字线。如果十字线始终与重建的头皮对齐，既未穿透皮肤也未在其上方产生间隙，则可接受跳过下一步操作，但不推荐。
    7. 在极端位置周围采样额外的点，包括最左、最右、最上、最后和最前的位置。操作方法为：在精细标志点面板中，为每个位置点击“添加”按钮。然后将指针置于头部目标表面，确保指针尖端轻触头皮，踩下脚踏开关以注册该位置。重复此过程，直至十字线与重建皮肤之间的距离尽可能小。
      注：不同神经导航系统对该过程可能使用不同术语（例如，表面注册）。
    8. 选择执行部分，将指针移至DLPFC的大致位置，以定位中心阳极（基于图1D提供的坐标）。移动指针时，同时观察屏幕。当指针尖端与屏幕上绿色十字线中心对齐时，标记电极位置。
    9. 将受试者头皮相应区域的头发拨开，并用皮肤标记笔标记电极位置。对三个阴极位置重复此过程（见图1D）。
    10. 在电极预定位置涂抹少量局部麻醉乳膏，以减少tDCS-fMRI过程中头皮的不适感。
      注：确保乳膏涂抹后至少等待20分钟再开始tDCS。

4. 经颅直流电刺激-功能性磁共振成像（tDCS-fMRI）

  1. 同步 tDCS-fMRI 实验的准备
    1. 使用多通道直流（DC）刺激器准备局灶性 3 × 1 tDCS。
    2. 将多通道直流刺激器36设置为正常（非电池）模式。将刺激器的电源插头插入与扫描仪相同的电源插座，以提高信噪比并减少成像伪影（另见制造商说明书中的相关说明）。
    3. 确保所有必要的刺激相关材料均已备齐且清洁（图4）。特别注意橡胶电极和3D模板中不得残留之前实验会话中的导电膏。
      注意：本项目所用装置采用了与直流刺激器制造商合作开发的定制电极和滤波盒，以满足研究单位的特定需求（见图4A）。但也可使用标准的MRI兼容组件。
      1. 使用3D打印（热塑性）电极膏填充辅助工具，在将电极贴附于头皮前标准化导电膏的涂抹（图4A (9),B）。
      2. 使用3D打印（热塑性）间隔器将电极定位在头皮上，确保在fMRI-tDCS会话期间阳极 与阴极之间的距离保持不变（图4A (10),C）。
        注意：可通过以下链接获取3D定制模板：https://github.com/memoslap/Material
    4. 连接直流刺激器与外盒（使用外盒电缆和适配器），再将内盒电缆连接至内盒和外盒（见图4）。
    5. 在局灶性tDCS 3×1装置的所有电极表面均匀涂抹1 mm厚的导电膏 。使用电极填充辅助工具标准化膏体厚度。仅覆盖电极表面，去除多余的导电膏。
    6. 按顺序打开直流刺激器和面板PC。双击桌面上的DC-Stimulator MC图标。在选定序列设置下拉菜单中选择所需的刺激序列。点击校准刺激器按钮，在无电负载情况下（即受试者未连接至刺激器）校准刺激器。
      警告：若在受试者连接刺激器的情况下进行校准，电流可能引起疼痛感。
    7. 将受试者安置在MRI扫描室之外、靠近直流刺激器的位置，确保其体位舒适。
    8. 确定受试者头部最宽处（从前额（眉毛上方）至头后部的枕骨），以选择合适的EEG帽尺寸，确保在tDCS-fMRI会话期间电极位置固定。
    9. 将电极放入间隔器中，确保阴极围绕中心阳极等距分布，并将电极贴附于已确定并标记的头皮位置。
    10. 使用合适尺寸且不含塑料插件的EEG帽固定电极位置。
      注意：确保在佩戴EEG帽时电极不发生移位。
    11. 将电极导线连接至直流刺激器的内盒，以进行阻抗检测。在选定序列设置下拉菜单中选择所需的刺激序列。在直流刺激器上点击阻抗检测按钮启动检测。确保已勾选MR模式。
    12. 按下刺激器界面上的阻抗检测按钮进行检测；若阻抗 ≤25 kΩ，则进入下一步（4.1.13）。若任一电极阻抗过高，可轻压电极至头皮、收紧EEG帽，并等待导电膏升温。必要时可补充导电膏。
    13. 断开内盒与外盒的连接，将外盒插入扫描仪的波导中。
    14. 引导受试者进入扫描室，同时手持内盒及连接的电极导线。
      注意：任何时候都应特别注意避免导线受力 ，以免导致电极移位。
    15. 请受试者坐在MRI检查床上，并将内盒重新连接至已插入扫描仪波导中的外盒。
    16. 将受试者以仰卧位舒适地安置在MRI检查床上，头部置于开放式头部线圈中。在头部两侧使用充气垫，并在头顶加用额外垫子以固定头部。
      ​注意：优先使用充气垫而非泡沫垫，以避免插入泡沫垫时导致电极移位。
    17. 在安装并锁定头部线圈上部之前，先将电极导线穿过头部线圈下部。
    18. 将内盒放置在受试者身旁的MRI检查床上，然后将受试者推入扫描仪孔道。
    19. 离开扫描室，在每次结构像和功能像扫描序列开始前，以及在扫描仪内进行第二次阻抗检测前，通过扫描仪的通信界面告知受试者即将进行的步骤。
  2. 同步 tDCS-fMRI 实验
    1. 在扫描仪面板PC上，点击主菜单 | 检查 | 患者登记注册新受试者，并填写必要信息。进入程序选择，加载并选择计划的成像协议。点击患者体位，选择头先进、仰卧位。在检查部位与侧别下拉菜单中选择脑，点击检查进入检查菜单。
    2. 按照屏幕提示，按本方案后续步骤顺序采集计划的扫描图像（fMRI前点状编码时间缩短径向采集（PETRA）、fMRI、fMRI后PETRA）。
      1. 采集一次PETRA扫描，用于验证电极在受试者头部的位置。
      2. 告知受试者将进行两次各10分钟的静息态fMRI扫描，在整个扫描期间（2 × 10分钟）应保持注视固定十字（通过安装在头部线圈上的投影仪和反射镜显示）。
      3. 在面板PC上点击启动刺激按钮开始tDCS刺激，再点击释放启动触发按钮，使刺激在功能成像序列开始前有10秒的渐升期。以2 mA强度施加tDCS持续20分钟。
        注意：也可采用其他刺激方案，如不同渐升时间、刺激强度或持续时间。
      4. 功能扫描和刺激结束后，在电极仍贴附于受试者头部时采集第二次PETRA扫描。
        注意：与fMRI前的PETRA扫描对比，可判断tDCS-fMRI实验过程中电极是否发生位移（即漂移）。
    3. MRI检查结束后，断开电极导线与外盒的连接，关闭直流刺激器，将受试者移出扫描仪孔道，取下头部的EEG帽并移除电极。
    4. 检查受试者头皮是否存在因刺激引起的皮肤发红现象，并清洁电极接触区域的头皮。
    5. 实验结束时，请受试者填写tDCS不良反应29及设盲效果31,32问卷。

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结果

共纳入43名健康的年轻参与者（20名男性/23名女性，年龄24.74 ± 5.50岁）的数据。参与者完成了最多四次fMRI扫描。每次fMRI扫描前均进行神经导航定位电极放置。总共纳入338组数据用于数据分析，代表fMRI扫描前后中心阳极位置的变化。

确定 预期的 根据电极的位置，使用在单独的MRI扫描（在fMRI扫描之前进行）中获取的结构MRI数据，对个体化电流建模进行了分析。电流建模旨在优化3×1电极布局的头皮位置，以最大化向右侧背外侧前额叶皮层（rDLPFC，N = 19名参与者/137个数据点）、右侧枕颞皮层（rOTC，N = 12/104）或左侧颞顶交界区（lTPJ，N = 12/97）的电流传递。 实际位置 3 × 1 配置的中心阳极位置通过每次 fMRI 扫描前后采集的结构 MRI 数据（PETRA 图像）进行经验性确定（注：靶向坐标以被试者空间提供，因此将每位受试者的 PETRA 扫描图像与其基线扫描期间获取的 T1 加权图像进行共配准，场模拟基于该图像进行）。由于在三维空间中识别电极位置容易产生误差...

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讨论

方法的关键步骤、潜在修改及故障排除
电极准确定位是经颅直流电刺激（tDCS）实验中一项至关重要的技术因素，若电极位置偏离预定头皮区域或发生位移，可能影响电流向目标脑区的流动42,43。这一点对于聚焦式 tDCS 尤为重要，因为施加电流的区域特异性使得此类设置对定位误差尤为敏感5,25。在本实验方案中，我们描述了一种在功能性磁共振成像（fMRI）期间实施的、基于神经导航的聚焦式 tDCS 方法，旨在提高个体化头皮定位的准确性。关键步骤包括：（1）利用电流流分布建模，为每位受试者优化 3×1 电极布局的头皮位置；（2）通过神经导航系统确定优化后的头皮位置；（3）采用标准化流程在头皮上放置并固定电极；（4）在同步进行 tDCS-fMRI 前后，评估电极放置的准确性及是否存在电极位移。

本方案的第一步描述了如何通...

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披露

MAN 在 Neuroelectrics 和 Précis 的科学顾问委员会任职。AH 部分受雇于 neuroConn GmbH。其他作者声明无利益冲突。

致谢

本研究由德国研究基金会资助（项目资助：FL 379/26-1；ME 3161/3-1；CRC INST 276/741-2 和 292/155-1，研究小组 5429/1 (467143400)，FL 379/34-1，FL 379/35-1，FL 379/37-1，FL 379/22-1，FL 379/26-1，ME 3161/5-1，ME 3161/6-1，AN 1103/5-1，TH 1330/6-1，TH 1330/7-1）。AT 得到伦德贝克基金会（资助号 R313-2019-622）的支持。我们感谢 Sophie Dabelstein 和 Kira Hering 在数据提取方面提供的帮助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Brainsight 神经导航系统Brainsight；Rogue Research Inc.，蒙特利尔é加拿大
CR-5 Pro 高温3D打印机 CREALITY，中国深圳
DC-STIMULATOR MCNeuroConn GmbH，德国伊尔梅瑙https://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
5% 伊美拉乳膏Aspen，爱尔兰都柏林
MAGNETOM Vida 3T，syngo_MR_XA50 软件西门子医疗股份公司，德国菲尔希海姆
Polaris 相机Polaris Vicra；Northern Digital Inc.，加拿大滑铁卢
Ten20导电脑电膏Weaver and Company，Aurora，美国
TPU 3D 打印机丝材SUNLU国际，中国香港，中国
<强>替代方案示例
Ingenia 3.0T（磁共振扫描仪）Phillips，荷兰阿姆斯特丹
Localite TMS 导航仪（神经导航设备）德国波恩，Localite
神经导航系统（神经导航设备）Soterix，美国新泽西州
PEBA 3D 打印机丝材基米亚，南特，法国
PLA 3D 打印机线材Filamentworld，诺伊-乌尔姆，德国
StarStim（刺激器）Neuroelectrics，巴塞罗那，西班牙

参考文献

  1. Perceval, G., Flöel, A., Meinzer, M. Can transcranial direct current stimulation counteract age-associated functional impairment. Neurosci Biobehav Rev. 65, 157-172 (2016).
  2. Simonsmeier, B. A., Grabner, R. H., Hein, J., Krenz, U., Schneider, M. Electrical brain stimulation (tES) improves learning more than performance: A meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 84, 171-181 (2018).
  3. Chan, M. M. Y., Yau, S. S. Y., Han, Y. M. Y. The neurobiology of prefrontal transcranial direct current stimulation (tDCS) in promoting brain plasticity: A systematic review and meta-analyses of human and rodent studies. Neurosci Biobehav Rev. 125, 392-416 (2021).
  4. Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of transcranial direct current stimulation. J ECT. 34 (3), 144-152 (2018).
  5. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Front Neurosci. 18, e1389651(2024).
  6. Sandrini, M., Umiltà, C., Rusconi, E. The use of transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience: A new synthesis of methodological issues. Neurosci Biobehav Rev. 35 (3), 516-536 (2011).
  7. Bashir, S., et al. Effects of anodal transcranial direct current stimulation on motor evoked potentials variability in humans. Physiol Rep. 7 (13), e14087(2019).
  8. Breakspear, M. Dynamic models of large-scale brain activity. Nat Neurosci. 20 (3), 340-352 (2017).
  9. Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J Rehabil Res Dev. 47 (2), vii-xxxiv (2010).
  10. Mier, W., Mier, D. Advantages in functional imaging of the brain. Front Hum Neurosci. 9, 249(2015).
  11. Antonenko, D., et al. Microstructural and functional plasticity following repeated brain stimulation during cognitive training in older adults. Nat Commun. 14 (1), e3184(2023).
  12. Jamil, A., et al. Current intensity- and polarity-specific online and aftereffects of transcranial direct current stimulation: An fMRI study. Hum Brain Mapp. 41 (6), 1644-1666 (2020).
  13. Keeser, D., et al. Prefrontal transcranial direct current stimulation changes connectivity of resting-state networks during fMRI. J Neurosci. 31 (43), 15284-15293 (2011).
  14. Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Floel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J Neurosci. 33 (30), 12470-12478 (2013).
  15. Nardo, D., et al. Transcranial direct current stimulation with functional magnetic resonance imaging: a detailed validation and operational guide. Wellcome Open Res. 6, 143(2023).
  16. Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation and simultaneous functional magnetic resonance imaging. J Vis Exp. (86), e51730(2014).
  17. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. J Cogn Neurosci. 33 (2), 195-225 (2021).
  18. Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309(2013).
  19. Gbadeyan, O., McMahon, K., Steinhauser, M., Meinzer, M. Stimulation of dorsolateral prefrontal cortex enhances adaptive cognitive control: A high-definition transcranial direct current stimulation study. J Neurosci. 36 (50), 12530-12536 (2016).
  20. Kuo, H. -I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 × 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
  21. Martin, A. K., Su, P., Meinzer, M. Common and unique effects of HD-tDCS to the social brain across cultural groups. Neuropsychologia. 133, e107170(2019).
  22. Martin, A. K., Kessler, K., Cooke, S., Huang, J., Meinzer, M. The right temporoparietal junction Is causally associated with embodied perspective-taking. J Neurosci. 40 (15), 3089-3095 (2020).
  23. Müller, D., Habel, U., Brodkin, E. S., Clemens, B., Weidler, C. HD-tDCS induced changes in resting-state functional connectivity: Insights from EF modeling. Brain Stimul. 16 (6), 1722-1732 (2023).
  24. 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. Sci Rep. 7 (1), e40612(2017).
  25. Niemann, F., et al. Electrode positioning errors reduce current dose for focal tDCS set-ups: Evidence from individualized electric field mapping. Clin Neurophysiol. 162, 201-209 (2024).
  26. Field modeling for transcranial magnetic stimulation: A useful tool to understand the physiological effects of TMS. Thielscher, A., Antunes, A., Saturnino, G. B. 2015 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), , 222-225 (2015).
  27. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Frontiers in Neuroscience. 18, 1389651(2024).
  28. Ghadimi, M., Sapra, A. Magnetic resonance imaging contraindications. StatPearls. , (2024).
  29. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clin Neurophysiol. 128 (9), 1774-1809 (2017).
  30. Ekhtiari, H., et al. A checklist for assessing the methodological quality of concurrent tES-fMRI studies (ContES checklist): a consensus study and statement. Nat Protoc. 17 (3), 596-617 (2022).
  31. Dinn, W., et al. Effectiveness of tDCS blinding protocol in a sham-controlled study. Brain Stimul. 10 (2), 401(2017).
  32. Turner, C., Jackson, C., Learmonth, G. Is the "end-of-study guess" a valid measure of sham blinding during transcranial direct current stimulation. Eur J Neurosci. 53 (5), 1592-1604 (2021).
  33. Saturnino, G. B., et al. SimNIBS 2.1: A comprehensive pipeline for individualized electric field modelling for transcranial brain stimulation. Brain and Human Body Modeling. , 3-25 (2019).
  34. Windhoff, M., Opitz, A., Thielscher, A. Electric field calculations in brain stimulation based on finite elements: An optimized processing pipeline for the generation and usage of accurate individual head models. Hum Brain Mapp. 34 (4), 923-935 (2013).
  35. Puonti, O., et al. Accurate and robust whole-head segmentation from magnetic resonance images for individualized head modeling. NeuroImage. 219, e117044(2020).
  36. neuroConn Programmable multichannel current stimulator -- DC-Stimulator MC Instruction for use -- (Version 5.3.1). , (2021).
  37. Fleury, M., Barillot, C., Mano, M., Bannier, E., Maurel, P. Automated electrodes detection during simultaneous EEG/fMRI. Frontiers in ICT. 5, (2019).
  38. De Munck, J. C., Van Houdt, P. J., Gonçalves, S. I., Van Wegen, E., Ossenblok, P. P. W. Novel artefact removal algorithms for co-registered EEG/fMRI based on selective averaging and subtraction. NeuroImage. 64, 407-415 (2013).
  39. Rich, T. L., et al. Determining electrode placement for transcranial direct current stimulation: A comparison of EEG- versus TMS-guided methods. Clin EEG Neurosci. 48 (6), 367-375 (2017).
  40. Okamoto, M., et al. Three-dimensional probabilistic anatomical cranio-cerebral correlation via the international 10-20 system oriented for transcranial functional brain mapping. NeuroImage. 21 (1), 99-111 (2004).
  41. Herwig, U., Satrapi, P., Schönfeldt-Lecuona, C. Using the international 10-20 EEG system for positioning of transcranial magnetic stimulation. Brain Topogr. 16 (2), 95-99 (2003).
  42. Indahlastari, A., et al. The importance of accurately representing electrode position in transcranial direct current stimulation computational models. Brain Stimul. 16 (3), 930-932 (2023).
  43. Woods, A. J., Bryant, V., Sacchetti, D., Gervits, F., Hamilton, R. Effects of electrode drift in transcranial direct current stimulation. Brain Stimul. 8 (3), 515-519 (2015).
  44. Thair, H., Holloway, A. L., Newport, R., Smith, A. D. Transcranial direct current stimulation (tDCS): A beginner's guide for design and implementation. Front Neurosci. 11, e641(2017).
  45. De Witte, S., et al. Left prefrontal neuronavigated electrode localization in tDCS: 10-20 EEG system versus MRI-guided neuronavigation. Psychiatry Res Neuroimaging. 274, 1-6 (2018).
  46. Daoud, M., et al. Stereo-EEG based personalized multichannel transcranial direct current stimulation in drug-resistant epilepsy. Clin. Neurophysiol. 137, 142-151 (2022).
  47. Hunold, A., Haueisen, J., Nees, F., Moliadze, V. Review of individualized current flow modeling studies for transcranial electrical stimulation. J Neurosci Res. 101 (4), 405-423 (2023).
  48. Göksu, C., et al. Human in-vivo brain magnetic resonance current density imaging (MRCDI). NeuroImage. 171, 26-39 (2018).
  49. Göksu, C., Scheffler, K., Siebner, H. R., Thielscher, A., Hanson, L. G. The stray magnetic fields in magnetic resonance current density imaging (MRCDI). EJMP. 59, 142-150 (2019).

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