Articolo metodologico

Stimolazione transcranica a corrente continua focalizzata neuronavigata somministrata durante la risonanza magnetica funzionale

DOI:

10.3791/67155

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15 novembre 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

In questo articolo

Sommario

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Questo protocollo descrive il metodo di posizionamento neuronavigato degli elettrodi per la stimolazione focale transcranica a corrente continua (tDCS) somministrata durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI).

Abstract

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La stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che consente la modulazione dell'eccitabilità e della plasticità del cervello umano. Le configurazioni tDCS focalizzate utilizzano specifiche disposizioni di elettrodi per vincolare il flusso di corrente a regioni cerebrali circoscritte. Tuttavia, l'efficacia della tDCS focalizzata può essere compromessa da errori di posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto, con conseguente riduzione significativa della dose corrente che raggiunge le regioni cerebrali bersaglio per la tDCS. Il posizionamento degli elettrodi guidato dalla neuronavigazione basato sull'anatomia della testa e del cervello dell'individuo derivato dai dati della risonanza magnetica strutturale (MRI) può essere adatto per migliorare l'accuratezza del posizionamento.

Questo protocollo descrive il metodo di posizionamento neuronavigato degli elettrodi per una configurazione tDCS focalizzata, adatta per la somministrazione concomitante durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Quantifichiamo anche l'accuratezza del posizionamento degli elettrodi e studiamo la deriva degli elettrodi in un esperimento concomitante tDCS-fMRI. Le fasi critiche riguardano l'ottimizzazione delle posizioni degli elettrodi sulla base della modellazione corrente che considera l'anatomia della testa e del cervello dell'individuo, l'implementazione del posizionamento neuronavigato degli elettrodi sul cuoio capelluto e la somministrazione di tDCS ottimizzata e focale durante la fMRI.

La precisione regionale del posizionamento degli elettrodi viene quantificata utilizzando la norma euclidea (norma L2) per determinare le deviazioni delle posizioni effettive degli elettrodi rispetto a quelle previste durante uno studio simultaneo tDCS-fMRI. Qualsiasi potenziale spostamento degli elettrodi (deriva) durante l'esperimento viene studiato confrontando le posizioni effettive degli elettrodi prima e dopo l'acquisizione della risonanza magnetica. Inoltre, confrontiamo direttamente l'accuratezza del posizionamento della tDCS neuronavigata con quella ottenuta con un approccio di targeting basato sul cuoio capelluto (un sistema di elettroencefalografia (EEG) 10-20). Queste analisi dimostrano un'accuratezza di posizionamento superiore per la neuronavigazione rispetto al posizionamento degli elettrodi basato sul cuoio capelluto e una deriva degli elettrodi trascurabile in un periodo di scansione di 20 minuti.

Introduzione

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La stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che consente la modifica della cognizione e delle funzioni cerebrali fisiologiche in contesti sperimentali e clinici 1,2,3. La somministrazione acuta di tDCS può avere cambiamenti transitori nell'eccitabilità neuronale, con effetti collaterali che durano da minuti a ore dopo la stimolazione 4,5. La corrente applicata non induce potenziali d'azione, ma piuttosto sposta transitoriamente il potenziale di membrana a riposo del neurone verso la depolarizzazione o l'iperpolarizzazione, con conseguente aumento o diminuzione dell'eccitabilità neuronale a livello macroscopico utilizzando i protocolli standard 4,5,6. Inoltre, per quanto riguarda gli effetti della tDCS sulla plasticità sinaptica, studi su animali e sull'uomo hanno dimostrato che la tDCS induce processi simili al potenziamento e alla depressione a lungo termine (LTP e LTD) 4,5.

Nel sistema motorio, la modulazione dei potenziali evocati motori (MEPs) consente una valutazione diretta degli effetti neurofisiologici della tDCS sull'eccitabilità corticale locale7. Tuttavia, questo approccio non è in grado di quantificare gli effetti neurali della tDCS sulle funzioni cognitive di ordine superiore supportate da reti cerebrali funzionali su larga scala8. Gli effetti sulle reti cerebrali possono essere studiati combinando la tDCS con le moderne tecniche di imaging funzionale 9,10. Tra questi, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è diventata l'approccio più frequentemente utilizzato perché fornisce un'eccellente risoluzione spaziale e temporale sufficiente per rivelare i meccanismi neurali attraverso i quali la tDCS influenza l'attività cerebrale locale nel sito di stimolazione e le reti neurali su larga scala 11,12,13,14.

Finora, gli studi combinati fMRI-tDCS hanno utilizzato principalmente le cosiddette configurazioni tDCS convenzionali, che utilizzano elettrodi di gomma relativamente grandi tra 25 e 35 cm2 (5 x 5 cm2 e 5 x 7 cm2) inseriti in tasche di spugna imbevute di soluzione salina15,16. Queste configurazioni proiettano la corrente tra due elettrodi che sono tipicamente attaccati su (a) una regione cerebrale bersaglio per la tDCS e (b) un elettrodo di ritorno su regioni cerebrali non bersaglio o aree extracraniche (ad esempio, la spalla). Ciò si traduce in un flusso di corrente diffuso attraverso il cervello, che interessa regioni diverse dalla regione bersaglio, complicando così le ipotesi causali e le interpretazioni sull'origine neurale degli effetti della tDCS17.

Un targeting spaziale più preciso può essere ottenuto con la tDCS18 focalizzata. Queste configurazioni impiegano schiere di elettrodi più piccoli disposti in stretta vicinanza l'uno all'altro o utilizzando un catodo a forma di anello posizionato attorno a un anodo centrale per vincolare il flusso di corrente alla regione target18,19. Le simulazioni al computer del flusso di corrente elettrica suggeriscono che la tDCS focalizzata può portare a una maggiore precisione spaziale del flusso di corrente verso la regione target rispetto ai montaggi convenzionali20. Inoltre, studi comportamentali hanno dimostrato una modulazione comportamentale regionale e specifica per il compito utilizzando configurazioni focalizzate 19,21,22. Tuttavia, solo pochi studi hanno utilizzato la tDCS focalizzata durante la fMRI. Questi studi sono stati in grado di stabilire la fattibilità di questo approccio e hanno fornito le prime prove per la modulazione neurale region-specific19,23.

Tuttavia, a causa dell'erogazione di corrente precisa a livello regionale, le configurazioni tDCS focalizzate possono essere più sensibili agli errori di posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto rispetto ai montaggi convenzionali. Ad esempio, Seo et al. hanno dimostrato che errori di posizionamento di 5 mm in una configurazione della corteccia motoria focalizzata riducono la polarizzazione somatica di picco nella manopola fino all'87%24. Inoltre, un recente studio di modellazione computazionale ha dimostrato che lo spostamento dell'elettrodo dalle posizioni previste per le configurazioni focali rispetto alle configurazioni convenzionali ha comportato una significativa riduzione della dose di corrente nelle regioni target per la tDCS, che varia dal 26% al 43%25. Pertanto, si è concluso che gli studi futuri dovrebbero includere di routine metodi appropriati per il miglioramento del posizionamento degli elettrodi e la verifica del posizionamento degli elettrodi prima e dopo la fMRI5.

Nel presente studio, descriviamo il metodo di posizionamento degli elettrodi neuronavigati per una nuova configurazione focale 3 x 1 tDCS compatibile con fMRI (cioè tre catodi individuali disposti in cerchio attorno a un singolo anodo centrale), che è attualmente in uso in un consorzio di ricerca collaborativa finanziato dalla Fondazione tedesca per la scienza (DFG Research Unit 5429, https://www.memoslap.de). Il consorzio studia gli effetti comportamentali e neurali della tDCS focalizzata sull'apprendimento e sulla memoria e i predittori della risposta alla stimolazione in quattro domini funzionali (ad esempio, funzioni visuo-spaziali, linguistiche, motorie ed esecutive). I dati MRI strutturali pesati in T1 e T2 dei partecipanti allo studio vengono acquisiti durante una scansione di base. Questi dati vengono utilizzati per simulazioni personalizzate del flusso di corrente26 per determinare le posizioni del cuoio capelluto degli elettrodi che massimizzano il flusso di corrente verso la regione target nei singoli partecipanti allo studio. Ad esempio, questo protocollo descriverà il targeting neuronavigato di posizioni elettrodiche determinate individualmente centrate sulla corteccia prefrontale dorsolaterale destra (rDLPFC) in un partecipante.

La sezione dei risultati rappresentativi si basa sui dati di imaging strutturale acquisiti prima e dopo la simultanea tDCS-fMRI in tre sottoprogetti dell'Unità di Ricerca. Questi studi hanno preso di mira la corteccia occipitotemporale destra (rOTC), la corteccia temporo-parietale sinistra (lTPC) e rDLPFC. I dati sono stati acquisiti presso il Dipartimento di Neurologia dell'Università di Medicina di Greifswald. Utilizzando questi dati, abbiamo mirato a raggiungere due obiettivi principali: (1) quantificare la precisione spaziale del posizionamento degli elettrodi neuronavigato confrontando le posizioni "intenzionali" degli elettrodi rispetto a quelle "effettive"25 determinate empiricamente e (2) indagare il grado di spostamento degli elettrodi nel corso delle sessioni di fMRI (cioè la deriva degli elettrodi). Questi fattori sono cruciali per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità degli effetti della tDCS negli studi concomitanti di tDCS-fMRI27. Inoltre, l'accuratezza del targeting della tDCS neuronavigata viene confrontata con quella di un approccio basato sul cuoio capelluto utilizzando i dati di un precedente studio tDCS-fMRI del nostro gruppo25.

Protocollo

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Tutte le procedure sperimentali presentate in questo protocollo sono state esaminate e approvate dal comitato etico dell'Università di Medicina Greifswald. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato prima dell'inclusione nello studio e hanno concesso l'autorizzazione alla pubblicazione anonima dei loro dati.

1. Screening delle controindicazioni e considerazioni generali

  1. Prima dell'arruolamento nello studio, esaminare attentamente i partecipanti per le controindicazioni MRI28 e tDCS29 (ad es. pacemaker, claustrofobia, anamnesi di convulsioni, emicrania, malattie della pelle sul cuoio capelluto [ad es. psoriasi/eczema]) utilizzando questionari appropriati.
  2. Spiegare ai partecipanti gli obiettivi dello studio e tutte le procedure pianificate e ottenere il consenso informato scritto in base ai requisiti locali.
  3. Seguire le procedure generali per migliorare la refertazione e la riproducibilità degli esperimenti concomitanti di tDCS-fMRI e testare potenziali artefatti di imaging indotti dall'apparecchiatura attuale e/o tDCS, come raccomandato dalla lista di controllo ContES30.
  4. Utilizzare metodi appropriati per valutare l'accecamento del partecipante e dello sperimentatore31,32 e i potenziali effetti avversi della tDCS29.

2. Risonanza magnetica di base e modellazione della corrente individualizzata

  1. Dopo aver completato i controlli di sicurezza (ad esempio, rimozione di oggetti metallici dal partecipante, come monete, collane, piercing, ecc.), guidare il partecipante nella sala scanner e posizionarlo comodamente sul lettino da visita MRI. Fissare la parte superiore della bobina di testa e spostare il partecipante all'interno del foro dello scanner MRI secondo le specifiche del produttore.
    NOTA: Abbiamo utilizzato uno scanner 3T dotato di una bobina di spessore testa/collo a 64 canali.
  2. Registrare il nuovo partecipante utilizzando l'interfaccia dello scanner facendo clic su Menu principale | Esame | Registrazione del paziente e compilare i campi richiesti. Andare su Scelta programma e raccogliere e selezionare il protocollo di imaging pianificato. Fare clic su Orientamento paziente e selezionare prima la testa, opzione Posizione supina . Dal menu a discesa Regione dell'esame e lateralità , scegli cervello e quindi fai clic su Esame per accedere al menu dell'esame.
  3. Seguire le istruzioni sullo schermo del protocollo di scansione predefinito (come la regolazione del campo visivo, ecc.) per acquisire sequenze di risonanza magnetica pesate in T1 e T2. Interagisci con il partecipante tramite il sistema di comunicazione interna dello scanner, se necessario.
    NOTA: per la modellazione della corrente personalizzata sono necessarie immagini pesate in T1 e T2. L'immagine pesata in T1 è necessaria anche per la neuronavigazione per identificare le posizioni pianificate e ottimizzate degli elettrodi sul cuoio capelluto dei partecipanti.
  4. Utilizzare lo script in https://github.com/memoslap/Greifswald e i dati di imaging strutturale acquisiti durante la risonanza magnetica di base per condurre una modellazione personalizzata della corrente (ad esempio, utilizzando SimNIBS26). Seguire i passaggi nel file Readme.md per applicare il metodo degli elementi finiti e le mesh della testa tetraedrica personalizzate generate dalle immagini strutturali pesate in T1 e T2 del partecipante (http://simnibs.org)26,33,34 Strumento CHARM 35 per la ricostruzione della testa per determinare il campo elettrico di picco per determinare le posizioni target ottimizzate per il posizionamento degli elettrodi tDCS sull'rDLPFC. Vedere la Figura 1 per un esempio del risultato della procedura utilizzata per questo protocollo.
    NOTA: Sono possibili metodi alternativi per l'identificazione delle coordinate del cuoio capelluto per il targeting neuronavigato e dipendono dalle procedure specifiche dello studio.

3. Neuronavigazione

  1. Fasi preparatorie
    1. Accendere il computer di controllo della neuronavigazione e il sistema di tracciamento.
    2. Fasi di assemblaggio: assemblare tutta l'attrezzatura necessaria per la neuronavigazione (Figura 2; per una panoramica della configurazione della neuronavigazione, vedere la Figura S1 supplementare). L'attrezzatura nella Figura 2 è composta da (1) un tracker del soggetto, (2) un cacciavite, (3) un'asta esagonale, (4) occhiali e (5) puntatore. Seguire le istruzioni seguenti per completare il montaggio.
      1. Allentare la vite sotto il tracker del soggetto con il cacciavite.
      2. Inserire il lato più lungo dell'asta esagonale nel dado montato sul tracker in oggetto e serrare la vite.
      3. Allentare la vite sul lato sinistro degli occhiali (con gli occhiali posizionati come se si guardasse attraverso di essi).
      4. Inserire il lato opposto dell'asta esagonale nel dado montato sul lato sinistro degli occhiali e serrare la vite degli occhiali.
        NOTA: Hai la possibilità di installare il subject tracker sul lato sinistro o destro degli occhiali. Questa scelta dipende dall'area target relativa alla posizione della telecamera del sistema di neuronavigazione (che deve riconoscere il puntatore e il tracker del soggetto) in relazione alla posizione del partecipante. Nel presente esempio, il tracker è fissato sul lato sinistro in modo che la persona che esegue il tracciamento non si trovi tra il tracker e la telecamera.
    3. Trasferire il file strutturale pesato in T1 (ad esempio, come file NIfTI (Neuroimaging Informatics Technology Initiative)) del rispettivo partecipante ottenuto nel passaggio 2.3. al computer di controllo del sistema di neuronavigazione.
    4. Apri il software di neuronavigazione e scegli Nuovo progetto vuoto.
    5. Caricare l'immagine pesata in T1 del partecipante e salvare il progetto selezionando Salva progetto.
    6. Per avviare la ricostruzione 3D della testa, vai alla sezione Ricostruzioni nella finestra principale dell'applicazione. Clicca su Nuovo... | Skin, che aprirà un'altra finestra. Ricostruisci la pelle premendo il rispettivo pulsante. Regolare la soglia pelle/aria se si osservano distorsioni nella ricostruzione della testa.
      NOTA: Si consiglia di verificare se l'intera testa è stata ricostruita correttamente. Una buona ricostruzione del naso e delle orecchie è importante per rilevare i punti di riferimento descritti nel passaggio successivo.
    7. Configura cinque punti di riferimento: nasion, narici sinistra e destra e pozzetti preauricolari sinistro e destro (LPA e RPA). Questi sono necessari per registrare il partecipante nella sezione Punti di riferimento della finestra principale dell'applicazione (per i dettagli, vedere la Figura S2 supplementare).
    8. Configurare la posizione dell'elettrodo per l'rDLPFC nella sezione Target inserendo le coordinate x, y e z della posizione dell'anodo (fornite dalle simulazioni del flusso di corrente personalizzate descritte nel passaggio 2.4), fare clic su Aggiungi nuovo e digitare Anode come nome della posizione dell'elettrodo. Ripetere la procedura per i tre elettrodi di ritorno.
  2. Identificazione neuronavigata delle posizioni degli elettrodi
    1. Posizionare comodamente il partecipante su una sedia di fronte alla telecamera di tracciamento. Chiedigli di indossare gli occhiali con il subject tracker allegato.
    2. Istruire i partecipanti a non toccare gli occhiali durante l'intera procedura di neuronavigazione. Questo è fondamentale per una registrazione precisa dei punti di riferimento e la convalida delle posizioni degli elettrodi.
    3. Vai alla scheda Sessioni e, nell'angolo sinistro, scegli Sessione online dal menu a discesa Nuovo . Seleziona la scheda Polaris e verifica la visibilità del tracker del soggetto e del puntatore spostandoli nel campo visivo della fotocamera. Entrambi i dispositivi vengono riconosciuti correttamente quando le croci rosse corrispondenti si trasformano in segni di spunta verdi nel pannello Strumenti (lato sinistro della finestra dell'applicazione).
    4. Seleziona la sezione Registrazione per registrare i cinque punti di riferimento predefiniti. Trova il rispettivo punto di riferimento posizionando il puntatore perpendicolarmente alla testa del partecipante con i sensori puntati verso la fotocamera. Quindi, premere il pedale del sistema di neuronavigazione per confermare la posizione. Assicurati che sia presente un segno di spunta verde davanti al nome di ciascun punto di riferimento.
    5. Naviga fino alla sezione di convalida e convalida i punti di riferimento posizionando la punta del puntatore sui punti di riferimento registrati e controlla i due indici di distanza; Il primo indice mostra la distanza tra il mirino (punta del puntatore virtuale) e il punto di riferimento registrato, il secondo indice mostra la distanza tra il mirino e la pelle ricostruita.
      NOTA: Quando si utilizzano i parametri predefiniti del sistema di neuronavigazione, indici inferiori a 5 mm indicano una precisione sufficiente per superare la fase di convalida. Questo è accettabile per molti contesti sperimentali. Tuttavia, a causa della configurazione focale ottimizzata utilizzata in questo protocollo, la convalida degli elettrodi è accettata solo se la deviazione dalle coordinate previste è inferiore a 1 mm (vedere la Figura 3).
    6. Sposta il puntatore sul cuoio capelluto del partecipante e controlla il mirino del cuoio capelluto ricostruito sul monitor di neuronavigazione. Se il mirino rimane allineato con il cuoio capelluto ricostruito senza penetrarlo o creare uno spazio sopra di esso, è accettabile, anche se sconsigliato, saltare il passaggio successivo.
    7. Campiona punti aggiuntivi attorno a posizioni di punti estremi, tra cui le posizioni più a sinistra, più a destra, più in alto, più dietro e più in primo piano. A tale scopo, fai clic sul pulsante Aggiungi nel pannello dei punti di riferimento di perfezionamento per ciascuna posizione. Quindi, posiziona il puntatore sulla superficie target della testa, assicurandoti che la punta del puntatore tocchi delicatamente il cuoio capelluto, e premi il pedale per registrare la posizione. Ripetere questo processo fino a quando la distanza tra il mirino e la pelle ricostruita è la più bassa possibile.
      NOTA: Diversi sistemi di neuronavigazione possono utilizzare una terminologia diversa per riferirsi a questo processo (ad esempio, registrazione della superficie).
    8. Selezionare la sezione Perform (Esegui ) e spostare il puntatore sulla posizione approssimativa del DLPFC per trovare la posizione dell'anodo centrale (in base alle coordinate fornite nella Figura 1D). Mentre si sposta il puntatore, osservare contemporaneamente lo schermo. Segnare le posizioni degli elettrodi quando la punta del puntatore si allinea con il centro del mirino verde sullo schermo.
    9. Allontanare i capelli del partecipante dall'area corrispondente sul cuoio capelluto e segnare le posizioni con un pennarello cutaneo/penna
      10. . Ripetere il processo per le posizioni dei tre catodi (vedere Figura 1D).
    10. Applicare una piccola quantità di crema anestetica topica nelle posizioni previste degli elettrodi per ridurre le sensazioni fisiche sul cuoio capelluto durante la tDCS-fMRI.
      NOTA: Assicurarsi che trascorrano almeno 20 minuti tra l'applicazione della crema e l'avvio della tDCS.

4. tDCS-fMRI

  1. Preparazione per la simultanea tDCS-fMRI
    1. Preparare una tDCS focale 3 x 1 con uno stimolatore di corrente continua (CC) multicanale.
    2. Utilizzare lo stimolatore CC multicanale36 in modalità normale (senza batteria). Inserire la spina di alimentazione dello stimolatore nella stessa ciabatta dello scanner per migliorare il rapporto segnale/rumore e ridurre gli artefatti di imaging (vedere anche le note delle specifiche del produttore).
    3. Assicurarsi che tutti i materiali necessari relativi alla stimolazione siano disponibili e puliti (Figura 4). Prestare particolare attenzione che gli elettrodi in gomma e le dime 3D non contengano pasta proveniente da precedenti sessioni sperimentali.
      NOTA: La configurazione utilizzata in questo progetto impiega elettrodi e scatole filtro personalizzati sviluppati in collaborazione con il produttore dello stimolatore CC per soddisfare i requisiti specifici dell'Unità di Ricerca (vedi Figura 4A). Tuttavia, è possibile utilizzare anche componenti standard compatibili con la risonanza magnetica.
      1. Utilizzare un coadiuvante di riempimento della pasta per elettrodi stampato in 3D (termoplastico) per standardizzare l'applicazione della pasta per elettrodi conduttivi prima di collegare gli elettrodi al cuoio capelluto (Figura 4A (9),B).
      2. Utilizzare un distanziatore stampato in 3D (termoplastico) per posizionare gli elettrodi sul cuoio capelluto e assicurarsi che le distanze tra l'anodo e i catodi siano mantenute durante le sessioni fMRI-tDCS (Figura 4A (10),C).
        NOTA: È possibile accedere ai modelli personalizzati in 3D utilizzando il seguente link: https://github.com/memoslap/Material
    4. Per configurare lo stimolatore CC, collegare lo stimolatore CC alla scatola esterna (utilizzando il cavo e l'adattatore della scatola esterna). Collegare il cavo della scatola interna alla scatola interna ed esterna (vedere la Figura 4).
    5. Applicare 1 mm di pasta conduttiva in modo uniforme sulla superficie di tutti gli elettrodi della configurazione focale-tDCS 3x1. Utilizzare l'ausilio di riempimento dell'elettrodo per standardizzare lo spessore della pasta. Coprire solo la superficie dell'elettrodo con la pasta e rimuovere l'eventuale pasta aggiuntiva.
    6. Accendere lo stimolatore CC e il Panel PC (nell'ordine indicato). Fare doppio clic sull'icona DC-Stimulator MC sul desktop. Selezionare la sequenza di stimolazione desiderata nel menu a discesa di impostazione della sequenza selezionata . Fare clic sul pulsante Calibra stimolatore per calibrare lo stimolatore senza carico elettrico (cioè, il partecipante non è collegato allo stimolatore).
      ATTENZIONE: Se il partecipante è collegato allo stimolatore durante la calibrazione, la corrente elettrica può indurre sensazioni dolorose.
    7. Posizionare comodamente il partecipante vicino allo stimolatore CC all'esterno della sala scanner MRI.
    8. Determinare la parte più larga della testa del partecipante, dalla fronte (appena sopra le sopracciglia) all'osso occipitale nella parte posteriore della testa, per scegliere la dimensione ottimale della cuffia EEG per mantenere gli elettrodi in posizione durante la sessione di tDCS-fMRI.
    9. Posizionare gli elettrodi nel distanziatore per garantire una spaziatura uniforme dei catodi attorno all'anodo centrale e fissare gli elettrodi sulle posizioni del cuoio capelluto identificate e contrassegnate.
    10. Utilizzare la cuffia EEG di dimensioni ottimali senza inserti in plastica per mantenere gli elettrodi in posizione durante la tDCS-fMRI.
      NOTA: Assicurarsi che gli elettrodi non si spostino mentre il cappuccio è posizionato in posizione.
    11. Collegare i conduttori dei cavi degli elettrodi alla scatola interna dello stimolatore CC per eseguire un controllo dell'impedenza. Selezionare la sequenza di stimolazione desiderata nel menu a discesa di impostazione della sequenza selezionata . Avviare il controllo dell'impedenza premendo il pulsante di controllo dell'impedenza sullo stimolatore CC. Assicurarsi che la modalità MR sia selezionata.
    12. Eseguire il controllo dell'impedenza premendo il rispettivo pulsante sull'interfaccia dello stimolatore; se l'impedenza è ≤25 kΩ, passare al passaggio successivo (4.1.13). Se l'impedenza è più alta per qualsiasi elettrodo, premere delicatamente gli elettrodi sul cuoio capelluto, stringere il cappuccio e lasciare che la pasta conduttiva si riscaldi. Se necessario, applicare altra pasta.
    13. Scollegare la scatola interna dalla scatola esterna e inserire la scatola esterna nella guida d'onda dello scanner.
    14. Guidare il partecipante nella sala scanner tenendo la scatola interna e i cavi degli elettrodi collegati.
      NOTA: In qualsiasi momento, prestare molta attenzione che non vi siano tensioni sui cavi, che potrebbero causare lo spostamento dell'elettrodo.
    15. Chiedi al partecipante di sedersi sul lettino dell'esame MRI e di ricollegare la scatola interna alla scatola esterna (che è inserita nella guida d'onda dello scanner).
    16. Posizionare comodamente il partecipante in posizione supina sul lettino da visita della risonanza magnetica, con la testa posizionata nella bobina di testa aperta. Usa cuscini gonfiabili su entrambi i lati della testa e un cuscino extra nella parte superiore della testa per stabilizzarla.
      NOTA: I cuscini gonfiabili sono preferiti ai lati rispetto ai cuscini in schiuma per evitare lo spostamento degli elettrodi quando i cuscini in schiuma sono inseriti.
    17. Far passare i cavi degli elettrodi attraverso la parte inferiore della bobina di testa prima di collegare la parte superiore della bobina di testa e bloccarla in posizione.
    18. Posizionare la scatola interna accanto al partecipante sul tavolo dell'esame MRI e spostare il partecipante nel foro dello scanner.
    19. Lasciare la sala scanner e informare il partecipante sulle procedure imminenti tramite l'interfaccia di comunicazione dello scanner prima di ogni sequenza di imaging strutturale e funzionale, nonché prima del secondo controllo dell'impedenza all'interno dello scanner.
  2. TDCS-fMRI concomitante
    1. Sul Panel PC dello scanner , registrare il nuovo partecipante facendo clic su Menu principale | Esame | Registrazione del paziente e compilare i campi obbligatori richiesti. Andare su Scelta programma e raccogliere e selezionare il protocollo di imaging pianificato. Fare clic su Orientamento paziente e selezionare prima la testa, opzione Posizione supina . Dal menu a discesa Regione dell'esame e lateralità , scegli cervello e fai clic su Esame per accedere al menu dell'esame.
    2. Seguire le istruzioni sullo schermo per acquisire le scansioni pianificate (pre-fMRI, codifica puntiforme, riduzione del tempo con acquisizione radiale (PETRA), fMRI, post-fMRI, PETRA post-fMRI) nell'ordine mostrato nei passaggi seguenti di questo protocollo.
      1. Acquisisci una scansione PETRA che consente di verificare le posizioni degli elettrodi sulla testa del partecipante.
      2. Informare il partecipante che verranno eseguite due scansioni fMRI in stato di riposo di 10 minuti e che dovrà mantenere lo sguardo su una croce di fissazione (visualizzata tramite un proiettore e specchi montati sulla bobina della testa) per l'intera durata del periodo di scansione (2 x 10 minuti).
      3. Avviare la stimolazione tDCS premendo il pulsante di stimolazione init sul Panel PC. Fare clic sul pulsante di avvio del rilascio per avviare la stimolazione con un ramp-up di 10 s prima di iniziare con le sequenze di imaging funzionale. Somministrare tDCS per 20 minuti con 2 mA.
        NOTA: Sono possibili altri protocolli di stimolazione con diversi periodi di rampa o intensità o durata della stimolazione.
      4. Dopo la fine delle scansioni funzionali e del periodo di stimolazione, acquisire una seconda scansione PETRA mentre gli elettrodi sono ancora attaccati alla testa del partecipante.
        NOTA: Rispetto alla scansione PETRA pre-fMRI, ciò consente di determinare il potenziale movimento dell'elettrodo attraverso l'esperimento tDCS-fMRI (ad esempio, deriva).
    3. Al termine della sessione di risonanza magnetica, scollegare i cavi degli elettrodi dalla scatola esterna e spegnere lo stimolatore CC, spostare il partecipante fuori dal foro dello scanner, rimuovere il cappuccio dalla testa del partecipante e rimuovere gli elettrodi.
    4. Ispezionare il cuoio capelluto del partecipante per potenziali arrossamenti cutanei causati dalla stimolazione. Pulire il cuoio capelluto del partecipante dove sono stati posizionati gli elettrodi.
    5. Alla fine dell'esperimento, chiedere al partecipante di completare i questionari sugli effetti avversi della tDCS29 e il cieco 31,32.

Risultati

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

Sono stati inclusi i dati di 43 giovani partecipanti sani (20 uomini/23 donne, di età compresa tra 24,74 ± 5,50 anni). I partecipanti hanno completato fino a quattro sessioni di risonanza magnetica funzionale. Il posizionamento neuronavigato degli elettrodi è stato condotto prima di ogni sessione di fMRI. In totale, nell'analisi dei dati sono stati inclusi 338 set di dati che rappresentano le posizioni degli anodi centrali prima e dopo la risonanza magnetica funzionale.

Per determinare le posizioni previste degli elettrodi, è stata eseguita la modellazione individualizzata della corrente utilizzando i dati MRI strutturali acquisiti in una sessione di risonanza magnetica separata (prima delle sessioni di risonanza magnetica funzionale). La modellazione della corrente mirava a ottimizzare le posizioni del cuoio capelluto delle configurazioni 3 x 1 per massimizzare il flusso di corrente verso rDLPFC (N = 19, partecipanti/N = 137 punti dati), rOTC (N = 12/104) o lTPJ (N = 12/97). Le posizioni effettive degli anodi centrali delle configurazioni 3 x 1 sono state determinate empiricamente utilizzando i dati MRI strutturali (immagini PETRA) acquisiti prima e dopo ogni sessione di fMRI (Nota: le coordinate per il targeting sono state fornite nello spazio del soggetto. Pertanto, le scansioni PETRA dei singoli partecipanti sono state co-registrate con la propria immagine pesata in T1 acquisita durante la scansione di base, su cui si sono basate le simulazioni sul campo). Poiché l'identificazione delle posizioni degli elettrodi in 3D è soggetta a errori, è stata utilizzata una vista 2D modificata del cuoio capelluto ricostruito con elettrodi (vedere Figura 537,38) per determinare sei punti di bordo degli anodi centrali. Successivamente, è stato calcolato il centro di massa per ottenere le coordinate centrali degli anodi per ogni sessione di fMRI e punto temporale (cioè prima o dopo la tDCS). Successivamente, è stata applicata una trasformazione 2D->3D inversa per ottenere le coordinate degli elettrodi nello spazio 3D.

La precisione spaziale del posizionamento dell'elettrodo neuronavigato è stata studiata confrontando le posizioni "intenzionali" con quelle "effettive" degli elettrodi25 ed è riportata come distanza39 della norma L2 (norma euclidea). La norma L2 è una norma vettoriale standard calcolata come la radice quadrata della somma dei quadrati delle componenti vettoriali. La differenza tra le coordinate previste e quelle effettive è calcolata dalla differenza di tutte le componenti vettoriali, vale a dire ogni dimensione dello spazio 3D (x/y/z). Lo spostamento degli elettrodi nel corso dell'esperimento (cioè la deriva) è stato studiato confrontando le posizioni effettive degli elettrodi determinate prima e dopo la risonanza magnetica funzionale.

Inoltre, abbiamo confrontato l'accuratezza del targeting per il posizionamento neuronavigato degli elettrodi con i dati di un precedente studio del nostro gruppo che utilizzava un approccio di targeting basato sul cuoio capelluto (sistema EEG 10-2025). Questo studio comprendeva i dati di 60 partecipanti (31 uomini/29 donne, di età compresa tra 22,17 ± 2,33 anni), due regioni target (N = 30/30, corteccia motoria/giro frontale inferiore) e due sessioni di risonanza magnetica funzionale per un totale di 240 punti dati. I dati e il codice utilizzati per tutte le analisi sono disponibili al pubblico all'indirizzo https://github.com/LawsOfForm/VerFlu_Simulation_Niemann_2023.

I modelli misti lineari sono stati utilizzati per analizzare (a) la deviazione delle posizioni effettive degli elettrodi dalle posizioni previste e (b) la deriva attraverso la sessione di fMRI con la seguente formula e la norma L² come variabile dipendente:

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

yij è la distanza della norma L2 tra le posizioni previste e quelle effettive degli elettrodi in POSIZIONE i del soggetto j. β0 è l'intercetta a effetto fisso, X1 è il valore per la POSIZIONE (1: pre-fMRI, 2: pre-fMRI effettiva; 3: post-fMRI) alla posizione i nel soggetto j. X2 è il valore per la REGIONE di interesse (1: lTPC, 2: rDLPFC, 3:rOTC) nella regione i nel soggetto j. X3 è il valore per l'interazione per la POSIZIONE e la REGIONE per la posizione e la regione i e il soggetto j, u0 è l'intercetta casuale per il soggetto j (μ0j ~ N(0, τ002)); εij sono i residui per il punto di tempo i nel soggetto j (εij ~ N(0,σ2)).

Il confronto dell'accuratezza del targeting per il posizionamento degli elettrodi neuronavigato e basato sul cuoio capelluto è stato effettuato utilizzando un test t basato sulle differenze della norma L2 tra le posizioni previste e quelle effettive nei rispettivi gruppi.

Precisione di posizionamento e spostamento neuronavigati durante l'esperimento
Il modello di riferimento (posizionamento previsto degli anodi centrali; regione: lTPC) ha mostrato deviazioni significative delle posizioni degli elettrodi dalle posizioni previste sia nelle valutazioni pre-fMRI che post-fMRI (8,71 mm, IC 95%: [6,57-10,84], p < 0,001; 8,51 mm, IC 95%-CI: [6,35-10,66], p < 0,001) Tabella supplementare S1. L'analisi post-hoc per le medie marginali stimate (EMM) è stata calcolata per tutti gli effetti principali e semplici di interesse (vedi Tabella supplementare S2, Tabella supplementare S3, Figura 6, Figura 7, Figura supplementare S3 e Figura supplementare S4). L'errore medio di posizionamento previsto per tutte le sessioni pre-fMRI era di 8,54 mm 95%-CI: [7,66-9,42] e significativamente diverso dalle posizioni previste (t (296) = -8,54, p < 0,0001). Questo è stato anche il caso delle coordinate post-fMRI (8,61 mm, IC 95%: [7,73-9,50]; t (296) = -10,97, p < 0,0001, vedi Figura 6 e Tabella supplementare S2). Poiché gli errori di posizionamento possono variare in base alla regione 25,40,41, è stato calcolato anche lo smarrimento tra le regioni target per ciascuna posizione. Tuttavia, non sono state riscontrate differenze specifiche per regione tra rOTC, lTPC e rDLPFC (Tabella supplementare S3, Figura 7 e Figura supplementare S4).

Lo spostamento degli anodi centrali (cioè la deriva), valutato confrontando le posizioni effettive degli elettrodi tra pre e post-fMRI, è stato trascurabile (-0,08 ± 0,39 mm; t (291) =-0,20, p = 0,98). Per informazioni dettagliate, vedere la Figura 6 e la Tabella supplementare S2.

Confronto degli errori di posizionamento degli elettrodi tra approcci di posizionamento neuronavigato e basato sul cuoio capelluto
Per indagare la rilevanza del posizionamento neuronavigato, le differenze della norma L² tra le posizioni previste ed effettive basate sul posizionamento degli elettrodi neuronavigato sono state confrontate retrospettivamente con i dati ottenuti da uno studio precedente che utilizzava un approccio di targeting basato sul cuoio capelluto25. In questo studio, la differenza della norma L² tra le posizioni previste e quelle effettive dell'anodo era di 12,33 ± 5,67 mm. Il confronto diretto tra gli approcci neuronavigato (8,83 ± 4,68) e quelli basati sul cuoio capelluto ha rivelato una significativa diminuzione della distanza della norma L² di 3,50 mm a favore del posizionamento degli elettrodi neuronavigati (t (397) = 4,91, p < 0,001).

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Figura 1: Una descrizione semplificata della sequenza di passaggi che rappresenta il metodo per la modellazione della corrente individualizzata. Il metodo mira a determinare le posizioni ottimizzate degli elettrodi sul cuoio capelluto sulla regione target (DLPFC destra) utilizzando una configurazione tDCS focale 3 x 1. (A) Regione anatomica del bersaglio in grigio. (B) Posizione ottimizzata dell'elettrodo illustrata sulla testa ricostruita del partecipante (anodo = nero, catodo 1 = rosso, catodo 2 = verde, catodo 3 = blu. (C) Campo elettrico simulato basato sulla modellazione della corrente individualizzata per questo montaggio (in V/m). (D) Coordinate del bersaglio per tutte le posizioni degli elettrodi previste utilizzate durante il puntamento neuronavigato (dimensioni: x/y/z). Abbreviazioni: DLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra; tDCS = stimolazione transcranica a corrente continua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Apparecchiature di neuronavigazione. 1) Localizzatore del soggetto, 2) Cacciavite, 3) Asta esagonale, 4) Occhiali, 5) Puntatore. NOTA: Il software di neuronavigazione comunica con il sensore di posizione (la telecamera di tracciamento) per ottenere la posizione del tracker del soggetto (montato sugli occhiali). Utilizza una matrice di registrazione (ottenuta identificando i punti di riferimento sulla testa del soggetto attraverso il puntatore) per allineare la posizione della testa del soggetto dal mondo reale allo spazio dell'immagine del partecipante (in base all'immagine pesata in T1 del partecipante). Una panoramica della configurazione generale è fornita nella Figura supplementare S1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Convalida dell'area di destinazione. Illustra la procedura di convalida delle regioni target di stimolazione tramite la neuronavigazione. 1) Il Subject tracker montato sul lato sinistro degli occhiali. 2) Il puntatore viene utilizzato per localizzare la posizione prevista dell'anodo (rDLPFC). 3) Il mirino verde e il punto rosso (che rappresenta la punta del puntatore) sullo schermo del computer. 3a) Il numero indice è verde se l'indicatore si discosta dal mirino di meno di 3 mm; 3b) il numero di indice è arancione se l'indicatore si discosta tra 3 e 5 mm; e 3c) è rosso se l'indicatore devia di oltre 5 mm. Abbreviazione: rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Componenti selezionati dello stimolatore CC multicanale e *componenti personalizzati. (A) 1) Adattatore che si collega alla presa dello stimolatore CC, 2) Cavo LAN della scatola esterna, 3) *Scatola esterna (scatola del filtro) posizionata all'interno della guida d'onda dello scanner durante la tDCS-fMRI. Il morsetto è fissato alla guida d'onda per collegare la scatola del filtro con la massa flottante della camera di risonanza magnetica schermata per ridurre potenziali artefatti. 4) cavo della scatola interna, 5) scatola interna con spine per cavi degli elettrodi, 6) *adattatore per fusibile che combina tre canali individuali in uno per l'anodo centrale, 7) *cavi per elettrodi fusi ed elettrodo dell'anodo centrale (raggio di 10 mm) in silicone flessibile ed elettricamente conduttivo, 8) catodo e cavo individuali, 9) esempio di elettrodo inserito in un ausilio di riempimento stampato in 3D, 10) esempio di elettrodo inserito nel distanziatore 3D, 11) metro a nastro, 12) cuffia EEG senza inserti in plastica per fissare gli elettrodi sul cuoio capelluto. Per la configurazione completa e i componenti standard non utilizzati in questo protocollo, si rimanda il sito del produttore (link nella Tabella dei Materiali). (B) Modello 3D dell'ausilio di riempimento dell'elettrodo. (C) Modello 3D del distanziatore. Abbreviazioni: tDCS-fMRI = stimolazione transcranica a corrente continua-risonanza magnetica funzionale; EEG = elettroencefalografia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Vista a pancake del cuoio capelluto e degli elettrodi basata sull'immagine PETRA. I colori rappresentano le diverse dimensioni della maschera appiattita del cuoio capelluto (rosso = 2 mm; verde = 4 mm, blu = 6 mm del cuoio capelluto gonfiato per la visualizzazione della profondità della testa). Gli orientamenti dell'immagine trasformata sono contrassegnati in lettere bianche. I punti bianchi rappresentano i punti del bordo selezionati manualmente dell'anodo centrale posizionato sopra la corteccia prefrontale dorsolaterale destra. Il centro di massa è stato calcolato come la coordinata del punto medio dei punti del bordo prima della riconversione nello spazio 3D. Abbreviazioni: PETRA = Pointwise Encoding Time reduction with Radial Acquisition; L = sinistra; R = destra; P = posteriore; A = anteriore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 6: Medie marginali stimate della distanza della norma L2 (norma euclidea) tra le posizioni previste ed effettive dell'elettrodo anodico in tutte le sessioni e regioni (rOTC, lTPC, rDLPFC). Punti dati originali in turchese. EMM Intervalli di confidenza del 95% in grigio. Abbreviazioni: EMM = medie marginali stimate; rOTC = Corteccia Temporale Occipitale Destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra; fMRI = risonanza magnetica funzionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 7: Medie marginali stimate della distanza della norma L2 (norma euclidea) tra le posizioni previste ed effettive dell'elettrodo anodico in tutte le sessioni tra ciascuna regione (rOTC, lTPC, rDLPFC) per ciascuna posizione (pre/post fMRI prevista). Punti dati originali in turchese. EMM Intervalli di confidenza del 95% in grigio. Abbreviazioni: EMM = medie marginali stimate; rOTC = Corteccia Temporale Occipitale Destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra; fMRI = risonanza magnetica funzionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura supplementare S1: Panoramica del sistema di neuronavigazione. 1) Computer di controllo del sistema di neuronavigazione con il software di neuronavigazione installato; 2) Fotocamera Polaris; 3) Pedale; 4) Occhiali con inseguitore del soggetto (vedere la Figura 2 per i dettagli); 5) Puntatore. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S2: Pelle ricostruita con punti di riferimento in giallo. 1) Nasion, 2) narice sinistra; 3) narice destra; 4) fossa preauricolare sinistra; 5) fossa preauricolare destra (vedi passaggio del protocollo 3.1.7). Abbreviazioni: LPA = fossa preauricolare sinistra; RPA = fossa preauricolare destra. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S3: Medie marginali stimate della distanza della norma L² (norma euclidea) tra le posizioni previste ed effettive dell'elettrodo anodico in tutte le sessioni tra le posizioni (pre/post fMRI) per ciascuna regione (rOTC, lTPC, rDLPFC). Punti dati originali in turchese. EMM Intervalli di confidenza del 95% in grigio. Abbreviazioni: EMM = medie marginali stimate; rOTC = Corteccia Temporale Occipitale Destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra; fMRI = risonanza magnetica funzionale. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S4: Medie marginali stimate della distanza della norma L² (norma euclidea) tra le posizioni previste ed effettive dell'elettrodo anodico in tutte le sessioni e le posizioni (pre/post fMRI) per ciascuna regione di interesse (rOTC, lTPC, rDLPFC). Punti dati originali in turchese. EMM Intervalli di confidenza del 95% in grigio. Corteccia Temporale Occipitale Destra (rOTC), Corteccia Parietale Temporale Sinistra (lTPC), Corteccia Prefrontale Dorsolaterale Destra (rDLPFC). Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare S1: Risultati dell'analisi del modello misto lineare per la distanza della norma L² (norma euclidea) tra le coordinate previste e quelle effettive. Vengono riportati i coefficienti di regressione dei modelli misti lineari (modelli di intercetta casuale) e i valori p a due lati. Abbreviazioni: CI = intervallo di confidenza; rOTC = Corteccia Temporale Occipitale Destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra; df = gradi di libertà; σ2 = varianza residua aggregata; τ = varianza aggregata spiegata dai soggetti; ICC = Coefficiente di correlazione intraclasse; N = numero di soggetti. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare S2: EMM post-hoc per l'analisi di modelli misti lineari per differenze nella norma L² (norma euclidea). Contrasti principali e semplici per l'effetto principale della posizione (intenzionale, pre/post fMRI, vedi anche Figura supplementare S2) e semplici effetti della posizione per ciascuna regione (lTPC, rDLPFC, rOTC, vedi anche Figura 6). Per gli effetti semplici, vengono visualizzati solo gli effetti significativi. Abbreviazioni: EMM = medie marginali stimate; SE = Errore standard; df = gradi di libertà; rOTC = corteccia temporale occipitale destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare S3: EMM post-hoc per l'analisi di modelli misti lineari della differenza della norma L² (norma euclidea). Contrasti principali e semplici per l'effetto principale della regione (lTPC, rDLPFC, rOTC, vedi anche Figura supplementare S3) ed effetti semplici della regione per ogni posizione (previsto, pre/post fMRI, vedi anche Figura 7). Abbreviazioni: EMM = medie marginali stimate; SE = Errore standard; df = gradi di libertà; rOTC = corteccia temporale occipitale destra; lTPC = corteccia parietale temporale sinistra; rDLPFC = corteccia prefrontale dorsolaterale destra. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussione

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Passaggi critici, potenziali modifiche e risoluzione dei problemi del metodo
Il posizionamento accurato degli elettrodi è un fattore tecnico cruciale negli esperimenti di tDCS e le deviazioni dalle posizioni previste del cuoio capelluto o la deriva degli elettrodi possono influenzare il flusso di corrente verso le regioni cerebrali target previste42,43. Ciò è particolarmente rilevante per la tDCS focalizzata, poiché la specificità regionale della corrente somministrata rende queste configurazioni particolarmente suscettibili agli effetti degli errori di posizionamento 5,25. Nell'attuale protocollo, abbiamo descritto un metodo di tDCS neuronavigato e focalizzato somministrato durante la risonanza magnetica funzionale, che mira a migliorare l'accuratezza del posizionamento delle posizioni del cuoio capelluto determinate individualmente. I passaggi critici includono (1) l'uso della modellazione del flusso di corrente elettrica per ottimizzare la posizione del cuoio capelluto della configurazione 3 x 1 per ciascun partecipante allo studio, (2) l'identificazione delle posizioni ottimizzate del cuoio capelluto mediante neuronavigazione, (3) il posizionamento e il fissaggio degli elettrodi sul cuoio capelluto utilizzando procedure standardizzate e (4) l'indagine sull'accuratezza del posizionamento e sulla deriva degli elettrodi prima e dopo la simultanea tDCS-fMRI.

Il primo passo del nostro protocollo descrive l'ottimizzazione delle posizioni degli elettrodi per un singolo partecipante allo studio della nostra Unità di Ricerca (UR) in corso mediante modellazione individualizzata della corrente (il codice per ricostruire l'ottimizzazione può essere trovato qui https://github.com/memoslap/SimNIBS_Optimization). Questo approccio è altamente specifico per i progetti dell'UR e ha comportato due fasi preparatorie non riportate qui: (1) Definizione di regioni anatomiche target per otto progetti empirici di UR (www.memoslap.de) basati su studi fMRI e/o tDCS che utilizzavano compiti motori o cognitivi identici/simili; (2) equalizzare la dose media di corrente tra i progetti regolando la distanza tra l'anodo centrale e i catodi circostanti. Ciò ha comportato uno studio di modellazione computazionale e dati di imaging strutturale a disposizione del nostro gruppo per determinare la spaziatura degli elettrodi specifica del progetto. Questi montaggi specifici per il progetto sono stati poi utilizzati per ottimizzare le posizioni del cuoio capelluto per i singoli partecipanti ai progetti RU al fine di ottenere la massima intensità di corrente nelle rispettive regioni target (in questo protocollo: DLPFC destra). In particolare, ci sono molti modi possibili per determinare le posizioni desiderate del cuoio capelluto e questi dipendono dagli obiettivi dello studio (ad esempio, controllo regionale o della dose, targeting anatomico o funzionale).

Allo stesso modo, esistono diversi dispositivi di neuronavigazione e stimolatori DC disponibili in commercio che possono essere utilizzati per il posizionamento neuronavigato e per condurre uno studio tDCS-fMRI. Di conseguenza, saranno necessarie modifiche alle procedure descritte in questo protocollo se si utilizzano apparecchiature di produttori diversi o se la tDCS-fMRI viene eseguita con un tipo di scanner diverso. Ciononostante, riteniamo che il protocollo possa essere adattato in modo flessibile per soddisfare i requisiti specifici dello studio. Ad esempio, per le configurazioni 3 x 1, si consiglia di utilizzare un distanziatore stampato in 3D per garantire che la distanza desiderata tra gli elettrodi venga raggiunta e mantenuta durante il posizionamento e la scansione. La standardizzazione della quantità di pasta conduttiva può essere ottenuta utilizzando un ausilio di riempimento dell'elettrodo come descritto in questo protocollo. Per consentire la personalizzazione, i modelli 3D utilizzati per la stampa sono stati resi disponibili al pubblico (vedere il passaggio del protocollo 4.1.3.2).

La complessità degli esperimenti fMRI intrascanner tDCS è un'altra considerazione cruciale, che richiede ai partecipanti di spostarsi negli elettrodi attaccati alle loro teste. Questi studi comportano un rischio significativo di successivo spostamento dell'elettrodo, anche con un posizionamento preciso5. Pertanto, si consiglia di implementare regolarmente metodi appropriati per ridurre al minimo lo spostamento e la deriva degli elettrodi (ad esempio, utilizzando cuscini gonfiabili standard compatibili con la risonanza magnetica per evitare lo spostamento degli elettrodi all'interno dello scanner MRI, cappucci EEG o cinghie sagomate per mantenere gli elettrodi in posizione e altre misure descritte nel protocollo sopra).

Infine, rispetto agli studi comportamentali di tDCS, la somministrazione di tDCS durante la fMRI consente la verifica delle posizioni esatte degli elettrodi sul cuoio capelluto (sulla base di immagini di risonanza magnetica strutturale 3D) e la quantificazione di potenziali deviazioni dalle posizioni previste. Tuttavia, l'identificazione delle posizioni degli elettrodi in 3D è soggetta a errori. Pertanto, suggeriamo una trasformazione 2D del cuoio capelluto e degli elettrodi per facilitare la verifica delle posizioni effettive degli elettrodi. Tuttavia, sono necessari studi futuri per convalidare questo nuovo approccio e confrontare i risultati con l'estrazione dei dati dalle immagini 3D.

Significato del metodo rispetto ad altri metodi esistenti
Gli approcci di targeting basati sul cuoio capelluto (ad esempio, il sistema EEG 10-2044) sono stati utilizzati nella maggior parte della ricerca sulla tDCS fino ad oggi. Ciò comporta l'identificazione manuale o automatizzata dei punti di riferimento anatomici e misurazioni aggiuntive (ad esempio, circonferenza della testa, calcolo delle intersezioni tra i punti di riferimento) per determinare le posizioni previste degli elettrodi nel cuoio capelluto. Mentre questo approccio tiene conto delle dimensioni della testa dei singoli partecipanti in una certa misura, trascura altre caratteristiche della morfologia del cervello e del cranio, con conseguente perdita di precisione 5,41,45. La maggiore precisione che può essere raggiunta con la neuronavigazione guidata dalla risonanza magnetica è illustrata nella sezione dei risultati rappresentativi di questo protocollo. Qui, abbiamo quantificato la precisione del targeting neuronavigato utilizzando i dati di uno studio multicentrico tDCS-fMRI in corso e abbiamo confrontato retrospettivamente l'accuratezza del posizionamento del targeting neuronavigato con un approccio basato sul cuoio capelluto. Inoltre, abbiamo studiato il grado di spostamento degli elettrodi durante la fMRI. I principali risultati della parte empirica di questo protocollo sono stati che (1) il targeting neuronavigato è superiore al posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto, con una precisione superiore di circa il 40% in base alla norma L2; e (2) c'è stata una deriva minima degli elettrodi durante le sessioni di risonanza magnetica, evidenziando che i passaggi tecnici e procedurali implementati per mantenere gli elettrodi in posizione (ad esempio, cappuccio, distanziatore, cuscini gonfiabili) hanno avuto successo.

Limitazioni e applicazioni future del metodo
Esistono diversi fattori limitanti per l'utilizzo dell'approccio descritto in questo protocollo. Ad esempio, l'ottimizzazione delle posizioni previste degli elettrodi mediante modellazione computazionale, targeting neuronavigato e verifica degli elettrodi richiede l'accesso a dati MRI strutturali, competenze tecniche specifiche e attrezzature costose che potrebbero non essere disponibili. Pertanto, questo approccio è limitato ai centri di ricerca specializzati che eseguono studi che richiedono un'elevata precisione spaziale della consegna di corrente (ad esempio, studi sperimentali in popolazioni neurotipiche che indagano le relazioni causali cervello-comportamento o studi di modellazione computazionale che indagano le relazioni dose-risposta). In questo contesto, vale la pena ricordare che la validità della modellazione corrente basata sulla risonanza magnetica può essere ridotta nei pazienti con chirurgia della testa o lesioni progressive, il che deve essere preso in considerazione quando si applicano i metodi descritti in questo protocollo alle popolazioni cliniche.

Inoltre, l'ottimizzazione delle posizioni degli elettrodi mediante modellazione computazionale e posizionamento neuronavigato in questo protocollo mira a massimizzare la precisione anatomica. Come accennato in precedenza, sono possibili altri modi di targeting individualizzato (compresi gli approcci invasivi limitati a specifiche popolazioni cliniche46) e la precisione anatomica non implica necessariamente la rilevanza funzionale dell'area stimolata. Quest'ultimo richiederebbe un compito di localizzazione (a livello di singolo partecipante o di gruppo), acquisito prima della tDCS-fMRI, per identificare le regioni cerebrali funzionalmente rilevanti per il targeting neuronavigato. Inoltre, la ricerca futura deve determinare la rilevanza funzionale dello spostamento degli elettrodi sulle funzioni comportamentali e neurali, compreso un confronto diretto degli effetti tra montaggi focali e convenzionali.

Va notato che le simulazioni al computer si basano sulla precisione anatomica delle segmentazioni tissutali (semi)automatizzate acquisite dalla risonanza magnetica e stimano il campo elettrico sulla base di ipotesi sulla conducibilità elettrica di varie classi di tessuti 5,47. Pertanto, per aumentare l'accuratezza dei modelli computazionali, è essenziale convalidare queste ipotesi e valutare l'accuratezza della segmentazione. A questo proposito, i nuovi metodi per studiare la conducibilità del flusso di corrente indotta da tDCS del tessuto cerebrale durante le misurazioni simultanee di tDCS-MRI includono la risonanza magnetica a densità di corrente (MRCDI) e la tomografia a impedenza elettrica a risonanza magnetica (MREIT)5,48,49. Questi approcci hanno il potenziale per convalidare le simulazioni del campo elettrico tDCS e ottimizzare i calcoli della dose di corrente personalizzati. La combinazione di tali approcci di modellazione computazionale ottimizzati con la tDCS neuronavigata probabilmente migliorerà la precisione e l'efficacia della tDCS in contesti sperimentali e clinici nel prossimo futuro.

Dichiarazioni

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

MAN fa parte dei comitati consultivi scientifici di Neuroelectrics e Précis. AH è parzialmente impiegato da neuroConn GmbH. Gli altri autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Ringraziamenti

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

Questa ricerca è stata finanziata dalla Fondazione tedesca per la ricerca (sovvenzioni per progetti: FL 379/26-1; ME 3161/3-1; CRC INST 276/741-2 e 292/155-1, Unità di ricerca 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 è stato sostenuto dalla Fondazione Lundbeck (sovvenzione R313-2019-622). Ringraziamo Sophie Dabelstein e Kira Hering per il loro aiuto nell'estrazione dei dati.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
il sistema di neuronavigazione BrainsightBrainsight; Rogue Research Inc., Montré al, Canada
CR-5 Pro stampante 3D ad alta temperatura CREALITY, Shenzhen, Cina
DC-STIMULATOR MCNeuroConn GmbH, Ilmenau, Germaniahttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Cream 5%Aspen, Dublino, Irlanda
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 softwareSiemens Healthineers AG, Forchheim, Germania
FotocameraPolarisPolaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Canada
Ten20 pasta EEG conduttivaWeaver and Company, Aurora, USA
Filamento per stampante 3D TPUSUNLU International, Hong-Kong, Cina
Example of alternatives
Ingenia 3.0T (MR-scanner)Phillips, Amsterdam, Paesi Bassi
Localite TMS Navigator (Apparecchiature per la neuronavigazione)Localite, Bonn, Germania
Neural Navigator (Apparecchiature per la neuronavigazione)Soterix, New Jersey, USA
Filamento per stampante 3D PEBAKimya, Nantes, Francia
Filamento per stampante 3D PLAFilamentworld, Neu-Ulm, Deutschland
StarStim (Stimolatore)Neuroelectrics, Barcellona, Spagna

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Perceval, G., Flöel, A., Meinzer, M. Can transcranial direct current stimulation counteract age-associated functional impairment. Neurosci Biobehav Rev. 65, 157-172 (2016).
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