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。
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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。
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。
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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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
2. 基线 MRI 扫描与个体化电流建模
3. 神经导航
4. 经颅直流电刺激-功能性磁共振成像(tDCS-fMRI)
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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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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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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。
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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| 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 MC | NeuroConn 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 |
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