Artículo de método

Estimulación transcraneal de corriente directa neuronavegada focalizada administrada durante la resonancia magnética funcional

DOI:

10.3791/67155

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15 de noviembre de 2024

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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

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo describe el método de colocación de electrodos neuronavegados para la estimulación focal transcraneal de corriente directa (tDCS) administrada durante la resonancia magnética funcional (fMRI).

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva que permite modular la excitabilidad y plasticidad del cerebro humano. Las configuraciones focalizadas de tDCS utilizan disposiciones específicas de electrodos para restringir el flujo de corriente a regiones cerebrales circunscritas. Sin embargo, la eficacia de la tDCS focalizada puede verse comprometida por errores de posicionamiento de los electrodos en el cuero cabelludo, lo que resulta en reducciones significativas de la dosis actual que llega a las regiones cerebrales objetivo para la tDCS. La colocación de electrodos guiada por neuronavegación basada en la anatomía de la cabeza y el cerebro del individuo, derivada de los datos de resonancia magnética (IRM) estructural, puede ser adecuada para mejorar la precisión del posicionamiento.

Este protocolo describe el método de colocación de electrodos neuronavegados para una configuración de tDCS focalizada, que es adecuada para la administración simultánea durante la resonancia magnética funcional (fMRI). También cuantificamos la precisión de la colocación de los electrodos e investigamos la deriva de los electrodos en un experimento simultáneo de tDCS-fMRI. Los pasos críticos incluyen la optimización de las posiciones de los electrodos en función del modelo actual que tiene en cuenta la anatomía de la cabeza y el cerebro del individuo, la implementación de la colocación de electrodos neuronavegados en el cuero cabelludo y la administración de tDCS optimizada y focal durante la resonancia magnética funcional.

La precisión regional de la colocación de los electrodos se cuantifica utilizando la norma euclidiana (norma L2) para determinar las desviaciones de las posiciones reales de los electrodos previstas durante un estudio simultáneo de tDCS-fMRI. Cualquier desplazamiento potencial de los electrodos (deriva) durante el experimento se investiga comparando las posiciones reales de los electrodos antes y después de la adquisición de fMRI. Además, comparamos directamente la precisión de la colocación de la tDCS neuronavegada con la lograda mediante un enfoque de focalización basado en el cuero cabelludo (un sistema de electroencefalografía (EEG) 10-20). Estos análisis demuestran una precisión de colocación superior para la neuronavegación en comparación con la colocación de electrodos basada en el cuero cabelludo y una deriva insignificante de los electrodos a lo largo de un período de escaneo de 20 minutos.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva que permite modificar la cognición y las funciones fisiológicas del cerebro en contextos experimentales y clínicos 1,2,3. La administración aguda de tDCS puede producir cambios transitorios en la excitabilidad neuronal, con secuelas que duran de minutos a horas después de la estimulación 4,5. La corriente aplicada no induce potenciales de acción, sino que desplaza transitoriamente el potencial de membrana en reposo de la neurona hacia la despolarización o la hiperpolarización, lo que resulta en un aumento o disminución de la excitabilidad neuronal a nivel macroscópico utilizando protocolos estándar 4,5,6. Además, con respecto a los efectos de plasticidad sináptica de la tDCS, los estudios en animales y humanos han demostrado que la tDCS induce procesos similares a la potenciación y la depresión a largo plazo (LTP y LTD) 4,5.

En el sistema motor, la modulación de los potenciales evocados motores (MEPs) permite la evaluación directa de los efectos neurofisiológicos de la tDCS sobre la excitabilidad cortical local7. Sin embargo, este enfoque no puede cuantificar los efectos neuronales de la tDCS en las funciones cognitivas de orden superior respaldadas por redes cerebrales funcionales a gran escala8. Los efectos sobre las redes cerebrales pueden investigarse combinando la tDCS con técnicas modernas de imagen funcional 9,10. Entre ellos, la resonancia magnética funcional (fMRI) se ha convertido en el enfoque más utilizado porque proporciona una excelente resolución espacial y temporal suficiente para revelar los mecanismos neuronales por los cuales la tDCS afecta la actividad cerebral local en el sitio de estimulación y las redes neuronales a gran escala 11,12,13,14.

Hasta ahora, los estudios combinados de fMRI-tDCS han empleado principalmente las llamadas configuraciones convencionales de tDCS, que utilizan electrodos de goma relativamente grandes de entre 25 y 35cm2 (5 x 5 cm2 y 5 x 7 cm2) insertados en bolsas de esponja empapadas en solución salina15,16. Estas configuraciones proyectan la corriente entre dos electrodos que normalmente se conectan sobre (a) una región del cerebro objetivo para la tDCS y (b) un electrodo de retorno sobre regiones del cerebro no objetivo o áreas extracraneales (por ejemplo, el hombro). Esto da lugar a un flujo de corriente generalizado a través del cerebro, que afecta a regiones distintas de la región objetivo, lo que complica las suposiciones e interpretaciones causales sobre el origen neural delos efectos de la tDCS.

Se puede lograr una focalización espacial más precisa mediante la tDCS18 focalizada. Estas configuraciones emplean matrices de electrodos más pequeños dispuestos muy cerca unos de otros o mediante el uso de un cátodo en forma de anillo colocado alrededor de un ánodo central para restringir el flujo de corriente a la región objetivo18,19. Las simulaciones por computadora del flujo de corriente eléctrica sugieren que la tDCS focalizada puede resultar en una mayor precisión espacial del flujo de corriente a la región objetivo que los montajes convencionales20. Además, los estudios conductuales han demostrado la modulación conductual regional y específica de la tarea utilizando configuraciones focalizadas 19,21,22. Sin embargo, solo unos pocos estudios han utilizado la tDCS focalizada durante la resonancia magnética funcional. Estos estudios han sido capaces de establecer la factibilidad de este enfoque y han proporcionado las primeras evidencias de la modulación neuronal específica de la región19,23.

Sin embargo, debido a la entrega de corriente regionalmente precisa, las configuraciones focalizadas de tDCS pueden ser más sensibles a los errores de posicionamiento de los electrodos en el cuero cabelludo que los montajes convencionales. Por ejemplo, Seo et al. demostraron que los errores de posicionamiento de 5 mm en una configuración de corteza motora focalizada redujeron la polarización somática máxima en el pomo manual hasta en un 87%24. Además, un reciente estudio de modelado computacional demostró que el desplazamiento del electrodo desde las posiciones previstas para la focal en comparación con las configuraciones convencionales dio lugar a reducciones significativas de la dosis de corriente en las regiones objetivo para la tDCS, que oscilaron entre el 26% y el 43%25. Por lo tanto, se concluyó que los estudios futuros deben incluir de forma rutinaria métodos apropiados para la mejora del posicionamiento de los electrodos y la verificación del posicionamiento de los electrodos antes y después de la fMRI5.

En el presente estudio, describimos el método de posicionamiento de electrodos neuronavegados para una nueva configuración focal 3 x 1 tDCS compatible con fMRI (es decir, tres cátodos individuales que están dispuestos en un círculo alrededor de un solo ánodo central), que actualmente se está utilizando en un consorcio de investigación colaborativa financiado por la Fundación Alemana de Ciencias (DFG Research Unit 5429, https://www.memoslap.de). El consorcio investiga los efectos conductuales y neuronales de la tDCS focalizada en el aprendizaje y la memoria, así como los predictores de la respuesta a la estimulación en cuatro dominios funcionales (es decir, funciones visuales-espaciales, lingüísticas, motoras y ejecutivas). Los datos de resonancia magnética estructural ponderada en T1 y T2 de los participantes del estudio se adquieren durante una exploración inicial. Estos datos se utilizan para simulaciones de flujo de corrienteindividualizadas 26 para determinar las posiciones del cuero cabelludo de los electrodos que maximizan el flujo de corriente a la región objetivo en los participantes individuales del estudio. A modo de ejemplo, este protocolo describirá la focalización neuronavegada de posiciones de electrodos determinadas individualmente centradas en la corteza prefrontal dorsolateral derecha (rDLPFC) en un participante.

La sección de resultados representativos se basa en datos de imágenes estructurales adquiridos antes y después de la tDCS-fMRI concurrente en tres subproyectos de la Unidad de Investigación. Estos estudios se centraron en la corteza occipitotemporal derecha (rOTC), la corteza temporo-parietal izquierda (lTPC) y la rDLPFC. Los datos fueron adquiridos en el Departamento de Neurología de la Universidad de Medicina Greifswald. Con estos datos, nos propusimos lograr dos objetivos principales: (1) cuantificar la precisión espacial de la colocación de electrodos neuronavegados comparando las posiciones de electrodos "intencionadas" con las "reales" determinadas empíricamente25, y (2) investigar el grado de desplazamiento de los electrodos en el transcurso de las sesiones de fMRI (es decir, la deriva del electrodo). Estos factores son cruciales para mejorar la precisión y fiabilidad de los efectos de la tDCS en estudios simultáneos de tDCS-fMRI27. Además, la precisión de la focalización de la tDCS neuronavegada se compara con la de un enfoque basado en el cuero cabelludo utilizando datos de un estudio previo de tDCS-fMRI de nuestro grupo25.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Todos los procedimientos experimentales presentados en este protocolo han sido revisados y aprobados por el comité de ética de la Universidad de Medicina de Greifswald. Todos los participantes dieron su consentimiento informado antes de la inclusión en el estudio y concedieron permiso para que sus datos se publicaran de forma anónima.

1. Detección de contraindicaciones y consideraciones generales

  1. Antes de inscribirse en el estudio, se evaluó cuidadosamente a los participantes para detectar contraindicaciones en la resonancia magnética28 y la tDCS29 (p. ej., marcapasos, claustrofobia, antecedentes de convulsiones, migraña, enfermedad de la piel en el cuero cabelludo [p. ej., psoriasis/eccema]) mediante cuestionarios adecuados.
  2. Explique los objetivos del estudio y todos los procedimientos planificados a los participantes y obtenga el consentimiento informado por escrito de acuerdo con los requisitos locales.
  3. Siga los procedimientos generales para mejorar la presentación de informes y la reproducibilidad de los experimentos simultáneos de tDCS-fMRI y pruebe los posibles artefactos de imagen inducidos por el equipo actual y/o tDCS según lo recomendado por la lista de verificación de ContES30.
  4. Utilizar métodos apropiados para evaluar el cegamiento de los participantes y del investigador31,32 y los posibles efectos adversos de la tDCS29.

2. Resonancia magnética de referencia y modelado de corriente individualizado

  1. Después de completar los controles de seguridad (es decir, retirar los objetos metálicos del participante, como monedas, collares, perforaciones, etc.), guíe al participante a la sala del escáner y colóquelo cómodamente en la mesa de examen de resonancia magnética. Coloque la parte superior de la bobina principal y mueva el participante dentro del orificio del escáner de resonancia magnética de acuerdo con las especificaciones del fabricante.
    NOTA: Utilizamos un escáner 3T equipado con una bobina de cuña de cabeza/cuello de 64 canales.
  2. Registre al nuevo participante utilizando la interfaz del escáner haciendo clic en Menú principal | Examen | Registro de pacientes y rellene los campos obligatorios. Vaya a Elección de programa y recopile y seleccione el protocolo de imágenes planificado. Haga clic en Orientación del paciente y seleccione la opción de posición supina con la cabeza primero . En el menú desplegable Región de examen y lateralidad , elija cerebro y, a continuación, haga clic en Examen para acceder al menú de examen.
  3. Siga las instrucciones en pantalla del protocolo de exploración predefinido (como ajustar el campo de visión, etc.) para adquirir secuencias de resonancia magnética ponderadas en T1 y T2. Interactuar con el participante a través del sistema de comunicación interno del escáner si es necesario.
    NOTA: Se requieren imágenes ponderadas T1 y T2 para el modelado de corriente individualizado. La imagen ponderada en T1 también es necesaria para que la neuronavegación identifique las posiciones planificadas y optimizadas de los electrodos en el cuero cabelludo de los participantes.
  4. Utilice el script en https://github.com/memoslap/Greifswald y los datos de imágenes estructurales adquiridos durante la resonancia magnética de referencia para realizar un modelado de corriente individualizado (p. ej., usando SimNIBS26). Siga los pasos del archivo Readme.md para aplicar el método de elementos finitos y las mallas de cabeza tetraédricas individualizadas generadas a partir de las imágenes estructurales ponderadas en T1 y T2 del participante (http://simnibs.org)26,33,34 Herramienta CHARM 35 para la reconstrucción de la cabeza para determinar el campo eléctrico máximo para determinar las posiciones objetivo optimizadas para la colocación de electrodos tDCS sobre el rDLPFC. Consulte la Figura 1 para ver un ejemplo del resultado del procedimiento utilizado para este protocolo.
    NOTA: Son posibles métodos alternativos para la identificación de las coordenadas del cuero cabelludo para la focalización neuronavegada y dependen de los procedimientos específicos del estudio.

3. Neuronavegación

  1. Pasos preparatorios
    1. Encienda el ordenador de control de Neuronavegación y el sistema de seguimiento.
    2. Pasos de montaje: Ensamble todo el equipo necesario para la neuronavegación (Figura 2; para obtener una descripción general de la configuración de la neuronavegación, consulte la Figura complementaria S1). El equipo de la Figura 2 consta de (1) un rastreador de sujetos, (2) un destornillador, (3) una varilla hexagonal, (4) gafas y (5) un puntero. Siga las instrucciones a continuación para completar el montaje.
      1. Afloje el tornillo debajo del rastreador de sujetos con el destornillador.
      2. Inserte el lado más largo de la varilla hexagonal en la tuerca montada en el rastreador de sujetos y apriete el tornillo.
      3. Afloje el tornillo en el lado izquierdo de las gafas (con las gafas colocadas como si miraran a través de ellas).
      4. Inserte el lado opuesto de la varilla hexagonal en la tuerca montada en el lado izquierdo de las gafas y apriete el tornillo de las gafas.
        NOTA: Tiene la opción de instalar el rastreador de sujetos en el lado izquierdo o derecho de las gafas. Esta elección depende del área objetivo en relación con la posición de la cámara del sistema de neuronavegación (que debe reconocer el puntero y el rastreador del sujeto) en relación con la posición del participante. En el presente ejemplo, el rastreador está conectado en el lado izquierdo para que la persona que realiza el rastreo no esté parada entre el rastreador y la cámara.
    3. Transfiera el archivo estructural ponderado en T1 (por ejemplo, como un archivo de la Iniciativa de Tecnología Informática de Neuroimagen (NIfTI)) del participante respectivo obtenido en el paso 2.3. al ordenador de control del sistema de neuronavegación.
    4. Abra el software de neuronavegación y elija Nuevo proyecto vacío.
    5. Cargue la imagen ponderada T1 del participante y guarde el proyecto seleccionando guardar proyecto.
    6. Para iniciar la reconstrucción de la cabeza en 3D, vaya a la sección Reconstrucciones en la ventana principal de la aplicación. Haga clic en Nuevo... | Skin, que abrirá otra ventana. Reconstruya la piel pulsando el botón correspondiente. Ajuste el umbral de piel/aire si se observan distorsiones en la reconstrucción de la cabeza.
      NOTA: Se sugiere verificar si toda la cabeza está correctamente reconstruida. Una buena reconstrucción de la nariz y las orejas es importante para detectar los puntos de referencia descritos en el siguiente paso.
    7. Configure cinco puntos de referencia: nasión, fosas nasales izquierda y derecha, y fosas preauriculares izquierda y derecha (LPA y RPA). Estos son necesarios para registrar al participante en la sección Puntos de referencia de la ventana principal de la aplicación (para obtener más detalles, consulte la Figura complementaria S2).
    8. Configure la posición del electrodo para el rDLPFC en la sección Objetivos insertando las coordenadas x, y y z de la posición del ánodo (proporcionadas por las simulaciones de flujo de corriente individualizadas descritas en el paso 2.4), haga clic en Agregar nuevo y escriba Ánodo como el nombre de la posición del electrodo. Repita el procedimiento para los tres electrodos de retorno.
  2. Identificación neuronavegada de las posiciones de los electrodos
    1. Coloque al participante cómodamente en una silla frente a la cámara de seguimiento. Pídale que se ponga las gafas con el rastreador de sujetos adjunto.
    2. Indique a los participantes que no toquen las gafas durante todo el procedimiento de neuronavegación. Esto es crucial para un registro preciso de los puntos de referencia y la validación de las posiciones de los electrodos.
    3. Vaya a la pestaña Sesiones y, en la esquina izquierda, elija Sesión en línea en el menú desplegable Nuevo . Seleccione la pestaña Polaris y verifique la visibilidad del rastreador de sujetos y el puntero moviéndolos al campo de visión de la cámara. Ambos dispositivos se reconocen correctamente cuando las cruces rojas correspondientes cambian a las marcas de verificación verdes en el panel Herramientas (lado izquierdo de la ventana de la aplicación).
    4. Seleccione la sección Registro para registrar los cinco puntos de referencia predefinidos. Encuentre el punto de referencia respectivo colocando el puntero perpendicularmente a la cabeza del participante con los sensores apuntando a la cámara. A continuación, presione el pedal del sistema de neuronavegación para confirmar la posición. Asegúrese de que se vea una marca de verificación verde delante del nombre de cada punto de referencia.
    5. Navegue hasta la sección de validación y valide los puntos de referencia colocando la punta del puntero en los puntos de referencia registrados y verifique los dos índices de distancia; El primer índice muestra la distancia entre la cruz (punta de puntero virtual) y el punto de referencia registrado, el segundo índice muestra la distancia entre la cruz y la piel reconstruida.
      NOTA: Cuando se utilizan los parámetros predeterminados del sistema de neuronavegación, los índices inferiores a 5 mm indican suficiente precisión para pasar el paso de validación. Esto es aceptable para muchos contextos experimentales. Sin embargo, debido a la configuración focal optimizada utilizada en este protocolo, la validación de electrodos solo se acepta si la desviación de las coordenadas previstas es inferior a 1 mm (ver Figura 3).
    6. Mueva el puntero sobre el cuero cabelludo del participante y compruebe el punto de mira del cuero cabelludo reconstruido en el monitor de neuronavegación. Si el punto de mira permanece alineado con el cuero cabelludo reconstruido sin penetrar en él ni crear un espacio por encima de él, es aceptable, aunque no se recomienda, omitir el siguiente paso.
    7. Muestree puntos adicionales alrededor de ubicaciones de puntos extremos, incluidas las ubicaciones más a la izquierda, más a la derecha, más arriba, más atrás y más adelante. Para ello, haga clic en el botón Agregar en el panel de puntos de referencia de refinamiento para cada posición. A continuación, coloque el puntero en la superficie objetivo de la cabeza, asegurándose de que la punta del puntero toque suavemente el cuero cabelludo, y presione el pedal para registrar la posición. Repita este proceso hasta que la distancia entre el punto de mira y la piel reconstruida sea lo más baja posible.
      NOTA: Los diferentes sistemas de neuronavegación pueden utilizar una terminología diferente para referirse a este proceso (por ejemplo, registro de superficie).
    8. Seleccione la sección Realizar y mueva el puntero a la ubicación aproximada del DLPFC para encontrar la posición del ánodo central (según las coordenadas proporcionadas en la Figura 1D). Mientras mueve el puntero, observe la pantalla simultáneamente. Marque las posiciones de los electrodos cuando la punta del puntero se alinee con el centro de la cruz verde en la pantalla.
    9. Aleje el cabello del participante de la zona correspondiente del cuero cabelludo y marque las posiciones con un rotulador de piel/bolígrafo
      10. . Repita el proceso para las posiciones de los tres cátodos (ver Figura 1D).
    10. Aplique una pequeña cantidad de crema anestésica tópica en las posiciones previstas de los electrodos para reducir las sensaciones físicas en el cuero cabelludo durante la tDCS-fMRI.
      NOTA: Asegúrese de que pasen al menos 20 minutos entre la aplicación de la crema y el inicio de la tDCS.

4. TDCS-fMRI

  1. Preparación para la tDCS-fMRI concurrente
    1. Prepare la focal 3 x 1 tDCS con un estimulador de corriente continua (CC) multicanal.
    2. Utilice el estimulador de CC multicanal36 en modo normal (sin batería). Inserte el enchufe de alimentación del estimulador en la misma regleta que el escáner para mejorar la relación señal-ruido y reducir los artefactos de imagen (consulte también las notas de las especificaciones del fabricante).
    3. Asegúrese de que todos los materiales necesarios relacionados con la estimulación estén disponibles y limpios (Figura 4). Tenga especial cuidado de que los electrodos de goma y las plantillas 3D no contengan ninguna pasta de sesiones experimentales anteriores.
      NOTA: La configuración utilizada en este proyecto emplea electrodos personalizados y cajas de filtro desarrollados en colaboración con el fabricante del estimulador de CC para cumplir con los requisitos específicos de la Unidad de Investigación (ver Figura 4A). Sin embargo, también se pueden utilizar componentes estándar compatibles con la resonancia magnética.
      1. Utilice una ayuda de relleno de pasta de electrodos impresa en 3D (termoplástica) para estandarizar la aplicación de pasta de electrodos conductores antes de colocar los electrodos en el cuero cabelludo (Figura 4A (9),B).
      2. Utilice un espaciador impreso en 3D (termoplástico) para colocar los electrodos en el cuero cabelludo y asegurarse de que las distancias entre el ánodo y los cátodos se mantengan durante las sesiones de fMRI-tDCS (Figura 4A (10),C).
        NOTA: Se puede acceder a las plantillas personalizadas en 3D mediante el siguiente enlace: https://github.com/memoslap/Material
    4. Para configurar el estimulador de CC, conecte el estimulador de CC a la caja exterior (mediante el cable y el adaptador de la caja exterior). Conecte el cable de la caja interior a la caja interior y exterior (consulte la Figura 4).
    5. Aplique 1 mm de pasta conductora de manera uniforme sobre la superficie de todos los electrodos de la configuración focal-tDCS 3x1. Utilice la ayuda de relleno de electrodos para estandarizar el espesor de la pasta. Cubra solo la superficie del electrodo con la pasta y retire cualquier pasta adicional.
    6. Encienda el estimulador de CC y el Panel PC (en el orden dado). Haga doble clic en el icono de DC-Stimulator MC en el escritorio. Seleccione la secuencia de estimulación requerida en el menú desplegable de configuración de secuencia seleccionada . Haga clic en el botón calibrar estimulador para calibrar el estimulador sin carga eléctrica (es decir, el participante no está conectado al estimulador).
      PRECAUCIÓN: Si el participante está conectado al estimulador mientras calibra, la corriente eléctrica puede inducir sensaciones dolorosas.
    7. Coloque al participante cómodamente cerca del estimulador de CC fuera de la sala del escáner de resonancia magnética.
    8. Determine la parte más ancha de la cabeza del participante, desde la frente (justo por encima de las cejas) hasta el hueso occipital en la parte posterior de la cabeza, para elegir el tamaño óptimo del gorro de EEG para mantener los electrodos en su lugar durante la sesión de tDCS-fMRI.
    9. Coloque los electrodos en el espaciador para asegurar un espaciado uniforme de los cátodos alrededor del ánodo central y conecte los electrodos sobre las posiciones identificadas y marcadas del cuero cabelludo.
    10. Utilice el gorro de EEG de tamaño óptimo sin inserciones de plástico para mantener los electrodos en su lugar durante la tDCS-fMRI.
      NOTA: Asegúrese de que los electrodos no se desplacen mientras se coloca la tapa.
    11. Conecte los cables de los electrodos a la caja interior del estimulador de CC para realizar una comprobación de impedancia. Seleccione la secuencia de estimulación requerida en el menú desplegable de configuración de secuencia seleccionada . Inicie la verificación de impedancia presionando el botón de verificación de impedancia en el estimulador de CC. Asegúrese de que el modo MR esté marcado.
    12. Realice la verificación de impedancia presionando el botón respectivo en la interfaz del estimulador; si la impedancia es de ≤25 kΩ, vaya al siguiente paso (4.1.13). Si la impedancia es mayor para cualquier electrodo, presione suavemente los electrodos contra el cuero cabelludo, apriete la tapa y deje que la pasta conductora se caliente. Si es necesario, aplique más pasta.
    13. Desconecte la caja interior de la caja exterior e inserte la caja exterior en la guía de ondas del escáner.
    14. Guíe al participante a la sala del escáner mientras se sujeta a la caja interior y a los cables de electrodos conectados.
      NOTA: En cualquier momento, tenga mucho cuidado de que no haya tensión en los cables, lo que podría resultar en el desplazamiento del electrodo.
    15. Pida al participante que se siente en la mesa de examen de resonancia magnética y vuelva a conectar la caja interior a la caja exterior (que está insertada en la guía de ondas del escáner).
    16. Coloque al participante cómodamente en posición supina en la mesa de examen de resonancia magnética, con la cabeza colocada en la bobina de cabeza abierta. Use cojines inflables a ambos lados de la cabeza y un cojín adicional en la parte superior de la cabeza para estabilizarla.
      NOTA: Se prefieren los cojines inflables en los lados a los cojines de espuma para evitar el desplazamiento de los electrodos cuando se insertan los cojines de espuma.
    17. Conduzca los cables de los electrodos a través de la parte inferior de la bobina principal antes de conectar la parte superior de la bobina principal y bloquearla en su lugar.
    18. Coloque la caja interior junto al participante en la mesa de examen de resonancia magnética y mueva al participante al orificio del escáner.
    19. Salga de la sala del escáner e informe al participante sobre los próximos procedimientos a través de la interfaz de comunicación del escáner antes de cada secuencia de imágenes estructurales y funcionales, así como antes de la segunda verificación de impedancia dentro del escáner.
  2. TDCS-fMRI concurrente
    1. En el panel PC del escáner , registre al nuevo participante haciendo clic en Menú principal | Examen | Registro de pacientes y completar los campos obligatorios necesarios. Vaya a Elección de programa y recopile y seleccione el protocolo de imágenes planificado. Haga clic en Orientación del paciente y seleccione la opción de posición supina con la cabeza primero . En el menú desplegable Región de examen y lateralidad , elija cerebro y haga clic en Examen para acceder al menú de examen.
    2. Siga las instrucciones en pantalla para adquirir las exploraciones planificadas (codificación puntual previa a la resonancia magnética funcional, reducción del tiempo con adquisición radial [PETRA], resonancia magnética funcional, PETRA posterior a la resonancia magnética funcional) en el orden que se muestra en los siguientes pasos de este protocolo.
      1. Adquirir un escáner PETRA que permita la verificación de las posiciones de los electrodos en la cabeza del participante.
      2. Informe al participante que se realizarán dos resonancias magnéticas funcionales en estado de reposo de 10 minutos y que debe mantener la mirada en una cruz de fijación (que se muestra a través de un proyector y espejos montados en la bobina del cabezal) durante todo el período de exploración (2 x 10 minutos).
      3. Inicie la estimulación tDCS presionando el botón de estimulación de inicio en el Panel PC. Haga clic en el botón de inicio y disparo para iniciar la estimulación con un aumento de 10 segundos antes de comenzar con las secuencias de imágenes funcionales. Administrar tDCS durante 20 min con 2 mA.
        NOTA: Son posibles otros protocolos de estimulación con diferentes períodos de rampa o intensidades o duraciones de estimulación.
      4. Una vez finalizados los escaneos funcionales y el período de estimulación, adquiera un segundo escaneo PETRA mientras los electrodos aún están conectados a la cabeza del participante.
        NOTA: En comparación con la exploración PETRA previa a la resonancia magnética funcional, esto permite determinar el movimiento potencial del electrodo a través del experimento tDCS-fMRI (es decir, deriva).
    3. Al finalizar la sesión de resonancia magnética, desconecte los cables de los electrodos de la caja exterior y apague el estimulador de CC, saque al participante del orificio del escáner, retire la tapa de la cabeza del participante y retire los electrodos.
    4. Inspeccione el cuero cabelludo del participante en busca de un posible enrojecimiento de la piel causado por la estimulación. Limpie el cuero cabelludo del participante donde se colocaron los electrodos.
    5. Al final del experimento, pida al participante que complete los cuestionarios de efectos adversostDCS 29 y cegamiento31,32.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Se incluyeron los datos de 43 participantes jóvenes sanos (20 hombres y 23 mujeres, con edades comprendidas entre 24,74 ± 5,50 años). Los participantes completaron hasta cuatro sesiones de resonancia magnética funcional. La colocación neuronavegada de electrodos se llevó a cabo antes de cada sesión de resonancia magnética funcional. En total, se incluyeron en los análisis de datos 338 conjuntos de datos que representaban las posiciones de los ánodos centrales antes y después de la fMRI.

Para determinar las posiciones previstas de los electrodos, se realizó un modelado de corriente individualizado utilizando datos de resonancia magnética estructural adquiridos en una sesión de resonancia magnética separada (antes de las sesiones de resonancia magnética funcional). El modelo actual tuvo como objetivo optimizar las posiciones del cuero cabelludo de las configuraciones 3 x 1 para maximizar el flujo de corriente al rDLPFC (N = 19, participantes/N = 137 puntos de datos), rOTC (N = 12/104) o lTPJ (N = 12/97). Las posiciones reales de los ánodos centrales de las configuraciones de 3 x 1 se determinaron empíricamente utilizando datos de resonancia magnética estructural (imágenes PETRA) adquiridos antes y después de cada sesión de fMRI (Nota: Las coordenadas para la focalización se proporcionaron en el espacio temático. Por lo tanto, las exploraciones PETRA de los participantes individuales se registraron conjuntamente con su propia imagen ponderada en T1 adquirida durante la exploración de referencia, en la que se basaron las simulaciones de campo). Debido a que la identificación de las posiciones de los electrodos en 3D es propensa a errores, se utilizó una vista de "panqueque" 2D modificada del cuero cabelludo reconstruido con electrodos (ver Figura 537,38) para determinar seis puntos de borde de los ánodos centrales. Posteriormente, se calculó el centro de masa para obtener las coordenadas centrales de los ánodos para cada sesión de fMRI y punto de tiempo (es decir, antes o después de tDCS). Posteriormente, se aplicó una transformación inversa 2D->3D para obtener las coordenadas de los electrodos en el espacio 3D.

La precisión espacial de la colocación de los electrodos neuronavegados se investigó comparando las posiciones "intencionadas" con las "reales" de los electrodos25 y se informa como la distancia de la Norma L2 (norma euclidiana)39. La norma L2 es una norma vectorial estándar calculada como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los componentes vectoriales. La diferencia entre las coordenadas previstas y las reales se calcula por la diferencia de todos los componentes vectoriales, es decir, cada dimensión del espacio 3D (x/y/z). El desplazamiento de los electrodos en el transcurso del experimento (es decir, la deriva) se investigó comparando las posiciones reales de los electrodos determinadas antes y después de la resonancia magnética funcional.

Además, comparamos la precisión de la focalización para la colocación de electrodos neuronavegados con los datos de un estudio previo de nuestro grupo que utilizó un enfoque de focalización basado en el cuero cabelludo (sistema de EEG 10-2025). Este estudio comprendió datos de 60 participantes (31 hombres/29 mujeres, con edades comprendidas entre 22,17 ± 2,33 años), dos regiones objetivo (N = 30/30, corteza motora/giro frontal inferior) y dos sesiones de resonancia magnética funcional para un total de 240 puntos de datos. Los datos y el código utilizados para todos los análisis están a disposición del público en https://github.com/LawsOfForm/VerFlu_Simulation_Niemann_2023.

Se utilizaron modelos lineales mixtos para analizar (a) la desviación de las posiciones reales de los electrodos con respecto a las ubicaciones previstas y (b) la deriva a lo largo de la sesión de resonancia magnética funcional con la siguiente fórmula y la norma L² como variable dependiente:

yij = β0 + POSITIONx1ij + REGIONx2ij + POSITION * REGIONx3ij + μ0j + εij

yij es la distancia de la norma L2 entre las posiciones previstas y reales del electrodo en la POSICIÓN i del sujeto j. β0 es la intersección de efecto fijo, X1 es el valor de la POSICIÓN (1: intencionada, 2: real antes de la resonancia magnética funcional; 3: después de la resonancia magnética funcional) en la posición i en el sujeto j. X2 es el valor de la REGIÓN de interés (1: lTPC, 2: rDLPFC, 3: rOTC) en la región i en el sujeto j. X3 es el valor de la interacción para la posición y la región y la región i y el sujeto j, u0 es la intersección aleatoria para el sujeto j (μ0j ~ N(0, τ002)); εij son los residuales del punto de tiempo i en el sujeto j (εij ~ N(0,σ2)).

La comparación de la precisión de la focalización para la colocación de electrodos neuronavegados y basados en el cuero cabelludo se realizó mediante una prueba t basada en las diferencias de la norma L2 entre las posiciones previstas y reales en los grupos respectivos.

Precisión de la colocación neuronavegada y el desplazamiento a lo largo del experimento
El modelo de referencia (colocación prevista de los ánodos centrales; región: lTPC) mostró desviaciones significativas de las posiciones de los electrodos con respecto a las posiciones previstas tanto en las evaluaciones previas como posteriores a la RMf-MRI (8,71 mm, IC del 95%: [6,57-10,84], p < 0,001; 8,51 mm, IC del 95%: [6,35-10,66], p < 0,001) Tabla Suplementaria S1. Se calculó un análisis post-hoc de las medias marginales estimadas (EMM) para todos los efectos principales y simples de interés (véase la Tabla Suplementaria S2, la Tabla Suplementaria S3, la Figura 6, la Figura 7, la Figura Suplementaria S3 y la Figura Suplementaria S4). El error de colocación promedio pronosticado para todas las sesiones previas a la resonancia magnética funcional fue de 8,54 mm con IC 95%: [7,66-9,42] y significativamente diferente de las posiciones previstas (t (296) = -8,54, p < 0,0001). Este también fue el caso para las coordenadas posteriores a la resonancia magnética funcional (8,61 mm, IC del 95%: [7,73-9,50]; t (296) = -10,97, p < 0,0001, ver Figura 6 y Tabla Suplementaria S2). Debido a que los errores de ubicación pueden variar según la región 25,40,41, también se calculó la ubicación incorrecta entre las regiones objetivo para cada posición. Sin embargo, no se encontraron diferencias específicas de la región entre rOTC, lTPC y rDLPFC (Tabla complementaria S3, Figura 7 y Figura complementaria S4).

El desplazamiento de los ánodos centrales (es decir, deriva), evaluado mediante la comparación de las posiciones reales de los electrodos entre antes y después de la fMRI, fue insignificante (-0,08 ± 0,39 mm; t (291) = -0,20, p = 0,98). Para obtener más información, consulte la Figura 6 y la Tabla complementaria S2.

Comparación de los errores de colocación de electrodos entre los enfoques de colocación neuronavegados y basados en el cuero cabelludo
Para investigar la relevancia de la colocación neuronavegada, se compararon retrospectivamente las diferencias de la norma L² entre las posiciones previstas y reales basadas en la colocación de electrodos neuronavegados con los datos obtenidos de un estudio previo que utilizó un enfoque de focalización basado en el cuero cabelludo25. En este estudio, la diferencia de la norma L² entre las posiciones prevista y real del ánodo fue de 12,33 ± 5,67 mm. La comparación directa entre los enfoques neuronavegados (8,83 ± 4,68) y los basados en el cuero cabelludo reveló una disminución significativa de la distancia de la norma L² en 3,50 mm a favor de la colocación de electrodos neuronavegados (t (397) = 4,91, p < 0,001).

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Figura 1: Una descripción simplificada de la secuencia de pasos que representa el método para el modelado de corriente individualizado. El método tiene como objetivo determinar las posiciones optimizadas de los electrodos en el cuero cabelludo sobre la región objetivo (DLPFC derecha) utilizando una configuración focal de tDCS de 3 x 1. (A) Región anatómica diana en gris. (B) Posición optimizada del electrodo ilustrada en la cabeza reconstruida del participante (ánodo = negro, cátodo 1 = rojo, cátodo 2 = verde, cátodo 3 = azul. (C) Campo eléctrico simulado basado en el modelado de corriente individualizado para este montaje (en V/m). (D) Coordenadas de destino para todas las posiciones de electrodo previstas utilizadas durante la focalización neuronavegada (dimensiones: x/y/z). Abreviaturas: DLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha; tDCS = estimulación transcraneal de corriente continua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Equipo de neuronavegación. 1) Rastreador de sujetos, 2) Destornillador, 3) Varilla hexagonal, 4) Gafas, 5) Puntero. NOTA: El software de neuronavegación se comunica con el sensor de posición (la cámara de seguimiento) para obtener la ubicación del rastreador de sujetos (montado en las gafas). Utiliza una matriz de registro (obtenida mediante la identificación de puntos de referencia en la cabeza del sujeto a través del puntero) para alinear la posición de la cabeza del sujeto desde el mundo real hasta el espacio de imagen del participante (basado en la imagen ponderada en T1 del participante). En la Figura complementaria S1 se proporciona una descripción general de la configuración general. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Validación de la región de destino. Ilustra el procedimiento de validación de regiones diana de estimulación a través de la neuronavegación. 1) El rastreador de sujetos ensamblado en el lado izquierdo de las gafas. 2) El puntero se utiliza para localizar la posición prevista del ánodo (rDLPFC). 3) La cruz verde y el punto rojo (que representa la punta del puntero) en la pantalla de la computadora. 3a) El número de índice es verde si el puntero se desvía de la cruz en menos de 3 mm; 3b) el número índice es naranja si el puntero se desvía entre 3 y 5 mm; y 3c) es rojo si el puntero se desvía más de 5 mm. Abreviatura: rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: Componentes seleccionados del estimulador de CC multicanal y *componentes personalizados. (A) 1) Adaptador que se conecta a la toma del estimulador de CC, 2) Cable LAN de la caja exterior, 3) *Caja exterior (caja de filtro) que se coloca dentro de la guía de ondas del escáner durante la tDCS-fMRI. La abrazadera se conecta a la guía de ondas para conectar la caja del filtro con la masa flotante de la cámara de resonancia magnética blindada para reducir los posibles artefactos. 4) Cable de la caja interior, 5) caja interior con enchufes para los cables de los electrodos, 6) *adaptador de fusible que combina tres canales individuales en uno para el ánodo central, 7) *cables de electrodo fusionados y electrodo del ánodo central (radio de 10 mm) de silicona flexible y conductora de electricidad, 8) cátodo y cable individuales, 9) ejemplo de electrodo insertado en la ayuda de llenado impresa en 3D, 10) ejemplo de electrodo colocado en un espaciador 3D, 11) cinta métrica, 12) gorro de EEG sin inserciones de plástico para asegurar los electrodos en el cuero cabelludo. Para conocer la configuración completa y los componentes estándar que no se utilizan en este protocolo, se remite a los lectores al sitio web del fabricante (enlace en la Tabla de materiales). (B) Modelo 3D de la ayuda de llenado de electrodos. (C) Modelo 3D del espaciador. Abreviaturas: tDCS-fMRI = resonancia magnética funcional transcraneal con estimulación de corriente continua; EEG = electroencefalografía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 5: Vista panqueque del cuero cabelludo y los electrodos basada en la imagen de PETRA. Los colores representan diferentes tamaños de mascarilla aplanada para el cuero cabelludo (rojo = 2 mm; verde = 4 mm, azul = 6 mm del cuero cabelludo inflado para la visualización de la profundidad de la cabeza). Las orientaciones de la imagen transformada están marcadas en letras blancas. Los puntos blancos representan los puntos de borde seleccionados manualmente del ánodo central colocados sobre la corteza prefrontal dorsolateral derecha. El centro de masa se calculó como la coordenada del punto medio de los puntos de borde antes de la retransformación en espacio 3D. Abreviaturas: PETRA = Reducción del tiempo de codificación puntual con adquisición radial; L = izquierda; R = derecha; P = posterior; A = anterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 6: Medias marginales estimadas de la distancia de la norma L2 (norma euclidiana) entre las posiciones previstas y reales del electrodo anódico en todas las sesiones y regiones (rOTC, lTPC, rDLPFC). Puntos de datos originales en color turquesa. Intervalos de confianza del 95% de EMM en gris. Abreviaturas: EMMs = medias marginales estimadas; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha; fMRI = resonancia magnética funcional. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 7: Medias marginales estimadas de la distancia de la norma L2 (norma euclidiana) entre las posiciones previstas y reales del electrodo anódico durante todas las sesiones entre cada región (rOTC, lTPC, rDLPFC) para cada posición (intencionada, pre/post fMRI). Puntos de datos originales en color turquesa. Intervalos de confianza del 95% de EMM en gris. Abreviaturas: EMMs = medias marginales estimadas; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha; fMRI = resonancia magnética funcional. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura complementaria S1: Descripción general del sistema de neuronavegación. 1) Ordenador de control del sistema de neuronavegación con el software de neuronavegación instalado; 2) Cámara Polaris; 3) Pedal; 4) Gafas con rastreador de sujetos (consulte la Figura 2 para obtener más detalles); 5) Puntero. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria S2: Piel reconstruida con puntos de referencia en amarillo. 1) Nasión, 2) fosa nasal izquierda; 3) fosa nasal derecha; 4) fosa preauricular izquierda; 5) fosa preauricular derecha (ver paso 3.1.7 del protocolo). Abreviaturas: LPA = fosa preauricular izquierda; RPA = fosa preauricular derecha. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria S3: Medias marginales estimadas de la distancia de la norma L² (norma euclidiana) entre las posiciones de electrodo previstas y reales del electrodo anódico en todas las sesiones entre posiciones (intencionada, pre/post fMRI) para cada región (rOTC, lTPC, rDLPFC). Puntos de datos originales en color turquesa. Intervalos de confianza del 95% de EMM en gris. Abreviaturas: EMMs = medias marginales estimadas; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha; fMRI = resonancia magnética funcional. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria S4: Medias marginales estimadas de la distancia de la norma L² (norma euclidiana) entre las posiciones previstas y reales del electrodo anódico en todas las sesiones y posiciones (intencionadas, antes/después de la fMRI) para cada región de interés (rOTC, lTPC, rDLPFC). Puntos de datos originales en color turquesa. Intervalos de confianza del 95% de EMM en gris. Corteza Temporal Occipital Derecha (rOTC), Corteza Temporal Parietal Izquierda (lTPC), Corteza Prefrontal Dorsolateral Derecha (rDLPFC). Haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla suplementaria S1: Resultados del análisis del modelo lineal mixto para la distancia de la norma L² (norma euclidiana) entre las coordenadas previstas y las reales. Se reportan los coeficientes de regresión de modelos lineales mixtos (modelos de intersección aleatoria) y valores p bilaterales. Abreviaturas: IC = intervalo de confianza; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha; df = grados de libertad; σ2 = varianza residual agrupada; τ = varianza agrupada explicada por los sujetos; ICC = Coeficiente de correlación intraclase; N = número de sujetos. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla Suplementaria S2: EMMs Post-hoc para el análisis del Modelo Lineal Mixto para diferencias de la Norma L² (norma euclidiana). Contrastes principales y simples para el efecto principal de la posición (intencionado, antes/después de la fMRI, véase también la Figura complementaria S2) y los efectos simples de la posición para cada región (lTPC, rDLPFC, rOTC, véase también la Figura 6). En el caso de los efectos simples, solo se muestran los efectos significativos. Abreviaturas: EMMs = medias marginales estimadas; SE = Error estándar; df = grados de libertad; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla suplementaria S3: EMMs post-hoc para el análisis del modelo lineal mixto de la diferencia de la norma L² (norma euclidiana). Contrastes principales y simples para el efecto principal de la región (lTPC, rDLPFC, rOTC, véase también la Figura suplementaria S3) y los efectos simples de la región para cada posición (previsto, antes/después de la fMRI, véase también la Figura 7). Abreviaturas: EMMs = medias marginales estimadas; SE = Error estándar; df = grados de libertad; rOTC = corteza temporal occipital derecha; lTPC = corteza parietal temporal izquierda; rDLPFC = corteza prefrontal dorsolateral derecha. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

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Pasos críticos, posibles modificaciones y solución de problemas del método
La colocación precisa de los electrodos es un factor técnico crucial en los experimentos de tDCS, y las desviaciones de las posiciones previstas en el cuero cabelludo o la deriva de los electrodos pueden afectar el flujo de corriente a las regiones cerebrales objetivo previstas42,43. Esto es particularmente relevante para la tDCS focalizada, ya que la especificidad regional de la corriente administrada hace que estas configuraciones sean particularmente susceptibles a los efectos de los errores de posicionamiento 5,25. En el protocolo actual, describimos un método de tDCS neuronavegada y focalizada administrada durante la fMRI, que tiene como objetivo mejorar la precisión de la colocación de las posiciones del cuero cabelludo determinadas individualmente. Los pasos críticos incluyen (1) el uso de modelos de flujo de corriente eléctrica para optimizar la posición del cuero cabelludo de la configuración 3 x 1 para cada participante del estudio, (2) la identificación de posiciones optimizadas del cuero cabelludo mediante neuronavegación, (3) el posicionamiento y la fijación de electrodos en el cuero cabelludo utilizando procedimientos estandarizados, y (4) la investigación de la precisión de la colocación y la deriva de los electrodos antes y después de la tDCS-fMRI concurrente.

El primer paso en nuestro protocolo describe la optimización de las posiciones de los electrodos para un participante de estudio individual de nuestra Unidad de Investigación (RU) en curso mediante el modelado de corriente individualizado (el código para reconstruir la optimización se puede encontrar aquí https://github.com/memoslap/SimNIBS_Optimization). Este enfoque es muy específico para los proyectos de UR e implicó dos pasos preparatorios que no se informan aquí: (1) Definición de regiones anatómicas objetivo para ocho proyectos empíricos de UR (www.memoslap.de) basados en estudios de resonancia magnética funcional y/o tDCS que utilizaron las mismas o similares tareas motoras o cognitivas; (2) igualar la dosis de corriente promedio en todos los proyectos ajustando el espacio entre el ánodo central y los cátodos circundantes. Esto implicó un estudio de modelado computacional y datos de imágenes estructurales disponibles para nuestro grupo para determinar el espaciamiento de los electrodos específico del proyecto. Estos montajes específicos del proyecto se utilizaron para optimizar las posiciones del cuero cabelludo para los participantes individuales en los proyectos de RU con el fin de lograr la máxima intensidad de corriente en las respectivas regiones objetivo (en este protocolo: DLPFC derecho). En particular, hay muchas formas posibles de determinar las posiciones deseadas del cuero cabelludo, y éstas dependen de los objetivos del estudio (es decir, control regional o de dosis, orientación anatómica o funcional).

Del mismo modo, hay una serie de diferentes dispositivos de neuronavegación y estimuladores de DC disponibles en el mercado que se pueden utilizar para la colocación neuronavegada y la realización de un estudio de tDCS-fMRI. En consecuencia, se requerirán modificaciones de los procedimientos descritos en este protocolo si se utilizan equipos de diferentes fabricantes o si se realiza tDCS-fMRI con un tipo de escáner diferente. No obstante, creemos que el protocolo se puede adaptar de forma flexible para cumplir con los requisitos específicos del estudio. Por ejemplo, para configuraciones de 3 x 1, recomendamos utilizar un espaciador impreso en 3D para garantizar que se logre y mantenga la distancia deseada entre los electrodos durante la colocación y el escaneo. La estandarización de la cantidad de pasta conductora se puede lograr utilizando una ayuda de llenado de electrodos como se describe en este protocolo. Para permitir la personalización, los modelos 3D utilizados para la impresión se han puesto a disposición del público (véase el paso del protocolo 4.1.3.2).

La complejidad de los experimentos de resonancia magnética funcional con tDCS intraescáner es otra consideración crucial, que requiere que los participantes se muevan a electrodos conectados a sus cabezas. Estos estudios conllevan un riesgo significativo de desplazamiento posterior del electrodo, incluso con un posicionamiento preciso5. Por lo tanto, recomendamos implementar de forma rutinaria métodos apropiados para minimizar el desplazamiento y la deriva de los electrodos (por ejemplo, el uso de almohadillas inflables estándar compatibles con la resonancia magnética para evitar el desplazamiento de los electrodos dentro del escáner de resonancia magnética, gorros de EEG o correas contorneadas para mantener los electrodos en su lugar, y otras medidas detalladas en el protocolo anterior).

Por último, en comparación con los estudios de tDCS conductual, la administración de tDCS durante la fMRI permite la verificación de las posiciones exactas de los electrodos en el cuero cabelludo (basándose en imágenes de resonancia magnética estructural en 3D) y la cuantificación de posibles desviaciones de las posiciones previstas. Sin embargo, la identificación de las posiciones de los electrodos en 3D es propensa a errores. Por lo tanto, sugerimos una transformación 2D del cuero cabelludo y los electrodos para facilitar la verificación de las posiciones reales de los electrodos. Sin embargo, se requieren estudios futuros para validar este nuevo enfoque y comparar los resultados con la extracción de datos de imágenes 3D.

Importancia del método en relación con otros métodos existentes
Los enfoques de focalización basados en el cuero cabelludo (por ejemplo, el sistema EEG 10-2044) se han utilizado en la mayoría de las investigaciones sobre tDCS hasta la fecha. Esto implica la identificación manual o automatizada de puntos de referencia anatómicos y mediciones adicionales (por ejemplo, circunferencia de la cabeza, cálculo de intersecciones entre puntos de referencia) para determinar las posiciones previstas de los electrodos en el cuero cabelludo. Si bien este enfoque explica el tamaño de la cabeza de los participantes individuales hasta cierto punto, descuida otras características de la morfología del cerebro y el cráneo, lo que resulta en una pérdida de precisión 5,41,45. La mayor precisión que se puede lograr con la neuronavegación guiada por resonancia magnética se ilustra en la sección de resultados representativos de este protocolo. Aquí, cuantificamos la precisión de la focalización neuronavegada utilizando datos de un estudio multicéntrico en curso de tDCS-fMRI y comparamos retrospectivamente la precisión de la colocación de la focalización neuronavegada con un enfoque basado en el cuero cabelludo. Además, investigamos el grado de desplazamiento del electrodo durante la resonancia magnética funcional. Los principales resultados de la parte empírica de este protocolo fueron que (1) la focalización neuronavegada es superior a la colocación de electrodos en el cuero cabelludo, con aproximadamente un 40% más de precisión según la norma L2; y (2) hubo una deriva mínima de los electrodos en las sesiones de resonancia magnética funcional, lo que pone de manifiesto que los pasos técnicos y de procedimiento implementados para mantener los electrodos en su lugar (es decir, tapa, espaciador, cojines inflables) fueron exitosos.

Limitaciones y aplicaciones futuras del método
Hay varios factores limitantes para usar el enfoque descrito en este protocolo. Por ejemplo, la optimización de las posiciones previstas de los electrodos mediante el modelado computacional, la orientación neuronavegada y la verificación de los electrodos requieren acceso a datos de resonancia magnética estructural, experiencia técnica específica y equipos costosos que pueden no estar disponibles. Por lo tanto, este enfoque se limita a centros de investigación especializados que realizan estudios que requieren una alta precisión espacial de la administración de corriente (por ejemplo, estudios experimentales en poblaciones neurotípicas que investigan relaciones causales entre el cerebro y el comportamiento o estudios de modelado computacional que investigan las relaciones dosis-respuesta). En este contexto, cabe mencionar que la validez del modelo actual basado en resonancia magnética puede verse disminuida en pacientes con cirugía de cabeza o lesiones progresivas, lo que debe tenerse en cuenta a la hora de aplicar los métodos descritos en este protocolo a las poblaciones clínicas.

Además, la optimización de las posiciones de los electrodos mediante el modelado computacional y la colocación neuronavegada en este protocolo tiene como objetivo maximizar la precisión anatómica. Como se ha mencionado anteriormente, son posibles otras formas de focalización individualizada (incluyendo abordajes invasivos limitados a poblaciones clínicas específicas46), y la precisión anatómica no implica necesariamente la relevancia funcional del área estimulada. Esto último requeriría una tarea de localización (ya sea a nivel de participante individual o de grupo), adquirida antes de la tDCS-fMRI, para identificar regiones cerebrales funcionalmente relevantes para la orientación neuronavegada. Además, la investigación futura necesita determinar la relevancia funcional del desplazamiento de los electrodos en las funciones conductuales y neuronales, incluida una comparación directa de los efectos entre los montajes focales y convencionales.

Cabe señalar que las simulaciones por computadora se basan en la precisión anatómica de las segmentaciones (semi)automatizadas de tejidos adquiridas a partir de la RM y estiman el campo eléctrico con base en suposiciones sobre la conductividad eléctrica de varias clases de tejidos 5,47. Por lo tanto, para aumentar la precisión de los modelos computacionales, es esencial validar estos supuestos y evaluar la precisión de la segmentación. En este sentido, los nuevos métodos para estudiar la conductividad del flujo de corriente inducida por tDCS en el tejido cerebral durante las mediciones simultáneas de tDCS-MRI incluyen imágenes de densidad de corriente por resonancia magnética (MRCDI) y tomografía de impedancia eléctrica por resonancia magnética (MREIT)5,48,49. Estos enfoques tienen el potencial de validar simulaciones de campo eléctrico de tDCS y optimizar los cálculos individualizados de dosis de corriente. La combinación de estos enfoques de modelado computacional optimizados con tDCS neuronavegada probablemente mejorará la precisión y la eficacia de la tDCS en contextos experimentales y clínicos en un futuro próximo.

Divulgaciones

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MAN forma parte de los consejos asesores científicos de Neuroelectrics y Précis. AH es empleada parcialmente por neuroConn GmbH. Los demás autores no tienen conflictos de intereses que declarar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Esta investigación fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación (subvenciones para proyectos: FL 379/26-1; ME 3161/3-1; CRC INST 276/741-2 y 292/155-1, Unidad de Investigación 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 contó con el apoyo de la Fundación Lundbeck (subvención R313-2019-622). Agradecemos a Sophie Dabelstein y Kira Hering por su ayuda con la extracción de datos.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
el sistema de neuronavegación BrainsightBrainsight; Rogue Research Inc., Montré al, Canadá
Impresora 3D de alta temperatura CR-5 Pro CREALITY, Shenzhen, China
ESTIMULADOR DE CC MCNeuroConn GmbH, Ilmenau, Alemaniahttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Crema 5%Aspen, Dublín, Irlanda
MAGNETOM Vida 3T, software syngo_MR_XA50Siemens Healthineers AG, Forchheim, Alemania
CámaraPolarisPolaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Canadá
Pasta de EEG conductora Ten20Weaver and Company, Aurora, EE. UU.
Filamento de impresora 3D DE TPUSUNLU International, Hong-Kong, China
Ejemplo de alternativas
Ingenia 3.0T (MR-scanner)Phillips, Amsterdam, Países Bajos
Localite TMS Navigator (Equipo de neuronavegación)Localite, Bonn, Alemania
Neural Navigator (Equipo de neuronavegación)Soterix, Nueva Jersey, Estados Unidos
Filamento de impresora 3D PEBAKimya, Nantes, Francia
Filamento de impresora 3D PLAFilamentworld, Neu-Ulm, Alemania
StarStim (Estimulador)Neuroelectrics, Barcelona, España

Referencias

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